專利名稱：具有可調(diào)能帶帶隙的半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能帶帶隙能夠被電改變的半導體裝置。
背景技術：
在半導體材料中，帶隙是一個重要的參數(shù)，其在很大程度上決定了半導體材料的特性。帶隙被定義為價帶頂部和導帶底部之間的能量差。這是激發(fā)電子從價帶進入導帶所需的能量。導帶中的電子具有移動通過材料的能力，由此能傳導電流。對于發(fā)光二極管(LED)，帶隙調(diào)節(jié)會導致發(fā)射光的顏色改變。當導帶中的電子返回價帶時，電子以光子形式釋放能量。帶隙越大，光子能量就越多。以可逆方式改變帶隙的方式是使半導體晶格應變。已顯示，可實現(xiàn)100meV級的帶隙變化。這種變化足以顯著改變例如肖特基二極管的特性。在光發(fā)射方面，這將導致顏色例如由黃到綠的變化。
美國專利no.4,935,935公開了一種電性可調(diào)的半導體裝置。將至少一個壓電物質(zhì)薄膜布置在與半導體裝置有關的應力發(fā)送中，并且來自電路的信號引起壓電薄膜向半導體發(fā)送應力，從而改變半導體裝置的反應。當調(diào)節(jié)電壓施加于壓電薄膜時，薄膜與調(diào)節(jié)電壓成比例變形，并且對半導體施加應力，該應力改變了半導體能隙。
美國專利no.4,935,935中留下的問題是如何增大電性可調(diào)半導體裝置中所施加的應變的效應。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述給出的問題和提供一種可以改變能帶帶隙的半導體裝置。通過根據(jù)權利要求1的能帶帶隙能夠被電改變的半導體裝置來實現(xiàn)這個目的。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該裝置包含至少一個半導體納米線、壓電材料和布置在壓電材料上的電極，經(jīng)由壓電材料施加電壓至電極以引起壓電材料變形，其中布置至少一個半導體納米線與壓電材料機械接觸，并且變形施加應力于至少一個半導體線，這會引起半導體納米線能帶帶隙的變化。
本發(fā)明的一個思想是提供一種裝置，該裝置基于嵌入在材料中的納米線，在適當處理例如鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AIN)或者氧化鋅(ZnO)的這種壓電材料時，材料顯示出變形。例如，該裝置能夠在發(fā)射光、開關和存儲應用中實施。借助對壓電材料施加電壓，通過對壓電材料施加局部變形，納米線能可逆地應變。因此，借助電感應機械激勵，納米線可逆地應變?？梢岳盟玫膸蹲兓瘉碚{(diào)整從例如LED或者激光器發(fā)射的光的顏色。這是帶隙與發(fā)射光的頻率成比例這一事實的結(jié)果。在其它領域的應用中，能夠控制半導體結(jié)中的接觸電阻，并且該特征在存儲器和開關中是非常有利的。
本發(fā)明是有益的，因為對于可比較的應力條件，也就是，對于施加于壓電材料的可比較的電壓，半導體線(和為此線的能帶帶隙的寬度)感受的應力將隨線直徑減小而增加。這暗示在這些類型的應用中使用納米線是非常有利的。此外，如果對于量子限制效應來說線直徑足夠小至能觀察到，其一般意味著直徑小于10-20nm，帶隙將由于量子限制而增大。這兩種帶隙變化效應(也就是通過所施加的應力或通過量子限制引起的帶隙變化)互相增強。例如，當應用壓應力時，帶隙由于所施加的應力而增大，另外由于線直徑的減小，帶隙由于量子限制效應的增加而增大。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，將半導體納米線嵌入壓電材料中，這種嵌入進一步增大了施加電壓時由壓電材料引起的應力。理想地，納米線完全嵌入該材料中。
本發(fā)明的其它實施例由從屬權利要求的主題來定義。當研究附加的權利要求和下面的描述時，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得明顯。本領域技術人員認識到，可以組合本發(fā)明的不同特征來建立除下面描述的那些實施例之外的實施例。


參考附圖，將更加詳細地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中圖1示出了納米線如何生長的實例，其中將陽極化的氧化鋁模板布置在襯底的導電層上；圖2示出了本發(fā)明的一個實施例，其中壓電材料作為薄層沉積在納米線周圍；和圖3示出了本發(fā)明的另一實施例，其中納米線和壓電材料布置在襯底的導電層上。
具體實施例方式
通過應用眾所周知的汽態(tài)-液態(tài)-固態(tài)(VLS)過程，半導體線和碳納米管能夠生長。一般在從400到800℃的溫度范圍進行這個過程。為了進一步生長，VLS過程使用像原子核一樣的小金屬微粒。當使用足夠小的金屬微粒時，線直徑能制得小于10nm。作為可選的方法，通過在室溫下應用電化學處理，能夠?qū)雽w線和金屬沉積于適當?shù)哪０逯?。在任一過程中，或者通過結(jié)合這兩個過程，能夠使包括例如n和p型半導體材料或者顯示異質(zhì)結(jié)的分段線生長。當需要高密度的半導體線時，可以使用適當?shù)哪０?。當適當?shù)臈l件占優(yōu)勢時，公知鋁的電化學氧化、也就是陽極氧化會導致非常規(guī)則的多孔氧化鋁。一般，孔與上面布置了孔的襯底表面垂直。孔的直徑是非常均勻的，并且通常可以從大約5nm改變到300nm。通過預處理局部表面，例如通過應用電子束或者壓印，孔可以是橫向有序的。能代替陽極化的氧化鋁使用可選的模板，例如蝕刻軌跡的薄膜。本發(fā)明提供一種基于從適當?shù)钠嗟拇呋L或者在模板中的電化學生長、以及在壓電材料中嵌入納米線的制備方法。對于納米線，可以使用半導體類型IV、III-V或者II-VI材料的任一種。
圖1示出了如何能使納米線生長的實施例。將陽極化的氧化鋁模板101布置在襯底102的導電層120上。模板的孔103用金屬沉積物104局部地填充，例如Au、Fe、Co、Ni等，作為VLS半導體線生長的催化劑。可以應用標準的VLS生長或者電化學沉積來沉積半導體材料105，例如CdSe、Si或者InP。在線生長期間通過改變生長的條件，能使帶有例如pn結(jié)或者異質(zhì)結(jié)的分段線106生長。用適當?shù)慕佑|金屬150進一步填充(如電氣化學地)被部分填充的孔。其后，通過在1M KOH中蝕刻模板或者在4％H3PO4或者1.5％CrO3中部分蝕刻模板來去掉氧化鋁(也稱為鋁氧土)，以便線的至少頂部部件不再嵌入氧化鋁中。因此，依靠蝕刻處理來創(chuàng)建獨立的納米線。隨后，例如經(jīng)由溶膠凝膠合成，將頂部部件嵌入壓電材料107中，例如BaTiO2或者PZT?？蓤D案化由壓電材料創(chuàng)建的層，以便能夠局部地處理單獨的線或者小組的線。在該嵌入過程之前或之后，對層的頂部部分拋光，其由點線108表示，并且將電觸點(未顯示)沉積于其上。應當至少圖案化頂部金屬，以便能夠分別地處理線和壓電材料。在本發(fā)明的實施例中可以用電介質(zhì)薄層部分地或者全部地覆蓋納米線。如果沒有圖案化壓電材料(或者至少到壓電材料的觸點)，就會同時影響所有的線。這在LED型光發(fā)射器的情況下是可接受的，但對于一些電子應用，應當能夠局部地改變半導體線的特性，而不是影響其它的部分。
當將Au圖案直接沉積于Si上時(例如通過利用光刻法圖案化薄Au膜或者通過采用自裝配法沉積膠質(zhì)Au粒子)，VLS方法能用于局部地生長在Au粒子位置處的線。先前已經(jīng)描述了GaP、GaAs和InP在Si(100)和Si(111)上的外延生長，而GaN已經(jīng)在各種藍寶石表面(例如Al2O3(001)、Al2O3(2-10)、Al2O3(100)、Al2O3(101))上外延生長。線與襯底之間的外延關系對于線定向和線的(底)接觸是有利的。這種方法會產(chǎn)生在襯底表面處的獨立線，并且可以如同在其它實施例中所描述的一樣進行進一步的處理。
圖2示出了本發(fā)明的實施例，其中將壓電材料207作為薄層沉積在納米線206的周圍。如關于圖1所描述的那樣生長納米線。在該特定的實施例中，金屬209蓋在納米線頂上。例如，借助化學氣相沉淀或者與濺射蝕刻結(jié)合的濺射沉淀，通過用良好臺階覆蓋率的一層壓電材料覆蓋金屬線。隨后用電介質(zhì)材料210填充線之間的區(qū)域。對層的頂部部分拋光，其由點線208表示，并且將電接觸點(未顯示)沉積在其上。
圖3示出了本發(fā)明的另一實施例，其中壓電材料307布置在襯底302的導電層320上。其后，將納米線306沉積于其上，并且將金屬源極和漏極311形式的電接觸點施加于納米線306。隨后，將另一層壓電材料312沉積于納米線306上，以便使納米線嵌入壓電材料307、312中。然后局部應用頂部電極313以處理壓電材料。在沒有使用頂層壓電材料312的情況下，頂部電極應用于壓電材料307。由于第二層312，能全面地激勵納米線，這會增加所施加應力的影響。當經(jīng)由電極313將電壓V施加于壓電材料312時，壓電材料發(fā)生局部膨脹，并使納米線306可逆地遭受應力。獲得的納米線306的帶隙變化引起納米線的電特性改變。
盡管已參考本發(fā)明的具體示范性實施例描述了本發(fā)明，但許多不同的變形、修改等對于本領域技術人員中將變得更加明顯。因此，描述的實施例不意指限制本發(fā)明的范圍，而由所附加的權利要求書限定。
權利要求
1.一種能帶帶隙能夠被電性改變的半導體裝置，該裝置包括至少一個半導體納米線(306)；壓電材料(307)；布置在壓電材料處的電極(313)，經(jīng)由該電極施加電壓以引起壓電材料變形；其中所述至少一個半導體納米線被布置成與所述壓電材料機械接觸，并且所述變形對所述至少一個半導體線施加應力，這引起半導體納米線的能帶帶隙改變。
2.根據(jù)權利要求1的半導體裝置，其中所述至少一個半導體納米線被嵌入到壓電材料(307，312)中。
3.根據(jù)權利要求1或2的半導體裝置，其中該裝置包括多個分段的半導體納米線(306)。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項的半導體裝置，其中將一電介質(zhì)層應用于所述至少一個半導體納米線(306)。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項的半導體裝置，其中電接觸點(311)被布置在所述至少一個半導體納米線(306)處。
6.根據(jù)前述權利要求中的任一項的半導體裝置，其中所述裝置包括多個并置布置的半導體納米線，并且在半導體納米線之間的區(qū)域填充有電介質(zhì)材料(210)。
7.根據(jù)前述權利要求中的任一項的半導體裝置，進一步包括具有導電層(320)的襯底(302)，在該導電層上面布置了所述壓電材料(307)。
8.根據(jù)前述權利要求中的任一項的半導體裝置，其中所述至少一個半導體納米線(306)包含在發(fā)光二極管中，使得半導體納米線的能帶帶隙的變化能夠改變從所述發(fā)光二極管發(fā)出光的顏色。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能帶帶隙能夠被電性改變的半導體裝置。本發(fā)明的思想是提供一種裝置，該裝置基于嵌入在材料(307)中的納米線(306)，當適當?shù)靥幚砝玟嗏佀徙UPZT、氮化鋁AlN或者氧化鋅ZnO的這種壓電材料時，材料(307)顯示出變形。借助將電壓應用于該材料，可以通過施加對壓電材料(307、312)的部分變形而可逆地應變納米線(306)。利用所得到的帶隙變化調(diào)整從例如LED或者激光器發(fā)射的光的顏色。這是帶隙與發(fā)出光的頻率成比例的事實的結(jié)果。在其它領域的應用中，能夠控制半導體結(jié)中的接觸電阻，并且該特征在存儲器和開關中有非常有利的。
文檔編號H01S5/34GK101048881SQ200580037002
公開日2007年10月3日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權日2004年10月27日
發(fā)明者A·R·巴爾克南德, E·P·A·M·巴克斯, L·F·費納 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司