專利名稱：具有可調(diào)諧能量帶隙的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量帶隙可以可逆地改變的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)電材料中，帶隙是重要的參數(shù)，其很大程度上決定了半導(dǎo)電材料的性質(zhì)。帶隙定義為價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底之間的能量差。該能量差是將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶中所需的能量。導(dǎo)帶中的電子能夠在材料中運(yùn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性。對于發(fā)光二極管(LED)帶隙的調(diào)諧導(dǎo)致發(fā)光顏色的變化。當(dāng)導(dǎo)帶中電子落回價(jià)帶中時(shí)，電子以光子的形式釋放能量。帶隙越大，光子的能量越大。一種以可逆方式調(diào)整帶隙的方法是使半導(dǎo)體晶格發(fā)生應(yīng)變。已經(jīng)證實(shí)了可以實(shí)現(xiàn)大約100meV的帶隙變化。該變化足以顯著改變例如肖特基二極管的性質(zhì)。在發(fā)光方面，這將導(dǎo)致例如從黃光到綠光的顏色變化。
美國專利No.4,935,935公開了一種電可調(diào)諧半導(dǎo)體器件。以向半導(dǎo)體器件傳送應(yīng)力的關(guān)系設(shè)置至少一層壓電物質(zhì)薄膜，并且來自電路的信號使得壓電物質(zhì)向半導(dǎo)體傳遞應(yīng)力，由此改變半導(dǎo)體器件的響應(yīng)。當(dāng)將調(diào)諧電壓施加于壓電薄膜時(shí)，該薄膜與調(diào)諧電壓成比例地變形并向半導(dǎo)體施加應(yīng)力，該應(yīng)力改變半導(dǎo)體的能隙。
美國專利No.4,935,935中仍存在的問題是，改變半導(dǎo)體能隙的效應(yīng)僅僅在向壓電薄膜施加調(diào)諧電壓時(shí)保持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是解決上述問題并且提供能量帶隙可改變的半導(dǎo)體器件。通過權(quán)利要求1所述的能量帶隙可以可逆改變的半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)該目的。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種器件，其包括半導(dǎo)電材料和設(shè)置成呈現(xiàn)可逆體積變化的相變材料，其中該半導(dǎo)電材料設(shè)置成與該相變材料機(jī)械接觸，并且所述體積變化向所述半導(dǎo)電材料施加應(yīng)力，導(dǎo)致所述半導(dǎo)電材料的能量帶隙發(fā)生變化。
本發(fā)明的思想是提供一種器件，該器件基于與當(dāng)被適當(dāng)尋址時(shí)呈現(xiàn)可逆體積變化的材料(例如，相變材料)機(jī)械接觸的半導(dǎo)電材料。該器件例如可在發(fā)光、開關(guān)和存儲(chǔ)器應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。通過向相變材料施加局部體積膨脹，半導(dǎo)電材料可以可逆地應(yīng)變。所得到的半導(dǎo)電材料的帶隙變化可用于調(diào)諧從LED或激光器發(fā)射的光的顏色。這是因?yàn)閹杜c發(fā)射光的頻率成比例這一事實(shí)。在其它應(yīng)用領(lǐng)域中，半導(dǎo)體結(jié)的接觸電阻可得到控制，該特征對于存儲(chǔ)器和開關(guān)是非常有利的。
對于一般相變材料，從晶相變到非晶相時(shí)的體積膨脹約為20％。與光學(xué)記錄應(yīng)用相似，加熱和冷卻速率以及最終溫度將決定局部相態(tài)?？衫眉す鈱?shí)現(xiàn)熱處理，但是半導(dǎo)電材料也可用于通過電阻加熱來局部加熱相變材料。
因?yàn)槭沟肔ED所發(fā)射光的顏色能夠被調(diào)諧，并且還使得可以用機(jī)械刺激代替電刺激來開關(guān)電裝置，本發(fā)明是有利的。因此可避免包括柵極電介質(zhì)和有限的耗盡寬度在內(nèi)的問題，這些問題在場效應(yīng)晶體管(FET)中是常見的。此外，可獲得可擴(kuò)展存儲(chǔ)器。使用相變材料的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，所導(dǎo)致的帶隙變化效應(yīng)是雙穩(wěn)的，因?yàn)樵摬牧弦刺幱诜蔷B(tài)要么處于晶態(tài)。該狀態(tài)保持，直到相變材料被重寫。這對于存儲(chǔ)器應(yīng)用是尤其有利的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)電材料包括至少一條半導(dǎo)電納米線。這是有利的，因?yàn)閷τ谙喈?dāng)?shù)膽?yīng)變條件，即，相變材料的體積膨脹相當(dāng)?shù)那闆r下，線直徑越小，半導(dǎo)電納米線所受的應(yīng)力(并且因此納米線的能量帶隙的寬度)會(huì)增加。這意味著在這些類型的應(yīng)用中使用納米線是非常有利的。此外，如果線的直徑小到足以觀察到量子限制效應(yīng)(通常意味著直徑小于10-20nm)，帶隙將由于量子限制而增加。這兩種帶隙變化效應(yīng)(即，由施加應(yīng)力導(dǎo)致的帶隙變化或由量子限制導(dǎo)致的帶隙變化)彼此增強(qiáng)。例如，當(dāng)施加壓應(yīng)力時(shí)，帶隙由于所施加應(yīng)力而增加，此外，同時(shí)帶隙由于增加的量子限制效應(yīng)而增加，量子限制效應(yīng)增加是由于納米線的直徑減小。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)電材料嵌入在相變材料中，當(dāng)適當(dāng)?shù)臒釛l件占優(yōu)勢時(shí)該嵌入還增加了由相變材料引起的應(yīng)力。理想的是，半導(dǎo)電材料完全嵌入在相變材料中。本發(fā)明的另一些實(shí)施例由從屬權(quán)利要求限定。
在研究了隨附的權(quán)利要求以及下述說明之后，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到本發(fā)明的不同特征可以結(jié)合起來產(chǎn)生不同于下述的實(shí)施例。


將參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。其中圖1示出了如何生長納米線的例子，其中陽極化氧化鋁模板設(shè)置在襯底的導(dǎo)電層上。
圖2示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中相變電材料沉積為納米線周圍的薄層；以及圖3示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中半導(dǎo)電材料和相變材料設(shè)置在襯底的導(dǎo)電層上。
具體實(shí)施例方式
半導(dǎo)電線和碳納米管可通過采用公知的氣相-液相-固相(VLS)工藝生長。通常在400至800℃的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行該工藝。VLS工藝使用小的金屬顆粒作為進(jìn)一步生長的核。當(dāng)采用足夠小的金屬顆粒時(shí)，可使線直徑小于10nm。作為備選方法，可以通過在室溫下采用電化學(xué)工藝將半導(dǎo)電線和金屬沉積在適當(dāng)?shù)哪０逯?。在任一種工藝中，或者結(jié)合這兩種工藝，可以生長由例如n和p型半導(dǎo)體材料組成的或者呈現(xiàn)異質(zhì)結(jié)的成段的線。當(dāng)需要高密度半導(dǎo)電線時(shí)，可以采用適當(dāng)?shù)哪０?。已知?dāng)適當(dāng)?shù)臈l件占優(yōu)勢時(shí)，鋁的電化學(xué)氧化(即，陽極化)會(huì)產(chǎn)生高度規(guī)則的多孔氧化鋁。通常，所述孔垂直于它們置于其上的襯底的表面?？字睆椒浅Ｒ恢拢⑶彝ǔ？蓮募s5nm變化至300nm。通過局部表面預(yù)處理，例如，通過采用電子束或壓印，這些孔可以橫向有序。備選模板，如徑跡蝕刻膜(track-etched membrane)，可用來代替陽極化氧化鋁。描述了一種制造方法，其基于從適當(dāng)氣相的催化生長或者在模板中的電化學(xué)生長，以及將優(yōu)選為半導(dǎo)電納米線的半導(dǎo)電材料嵌入相變材料中。對于納米線，可使用任何半導(dǎo)電類型的IV、III-V或II-VI材料。
圖1示出了如何生長納米線的一個(gè)例子。將陽極化氧化鋁模板101置于襯底102的導(dǎo)電層120上。模板的孔103被部分填充了金屬沉積物104，例如Au、Fe、Co、Ni等，作為VLS半導(dǎo)體線生長的催化劑?？刹捎脴?biāo)準(zhǔn)VLS生長或者電化學(xué)沉積來沉積半導(dǎo)電材料105，例如CdSe、Si或InP。通過在線生長期間改變生長條件，可生長具有例如pn結(jié)或異質(zhì)結(jié)的成段的線106?？梢杂眠m當(dāng)?shù)慕佑|金屬150進(jìn)一步填充(例如以電化學(xué)方式)已局部填充的孔。之后，通過在1M KOH中蝕刻所述模板，或者通過在4％H3PO4或1.5％CrO3中對其進(jìn)行部分蝕刻，除去氧化鋁(也稱為礬土)，使得至少所述線的頂部不再嵌入氧化鋁中。由此通過蝕刻工藝形成了獨(dú)立的納米線。隨后，將所述頂部嵌入相變材料中，所述相變材料例如為Ge2Sb2Te5、Sb78Te22、Sb88Tel12、AgInSbTe、GexInySnzSb1-x-y-z。
可以圖形化由相變材料形成的層，使得可以局部尋址單個(gè)線或線的小組。在該嵌入過程之前或之后，拋光上述層的頂部，這通過虛線108表示，并且將電接觸(未示出)沉積于其上。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，納米線被薄電介質(zhì)層部分或完全覆蓋。
當(dāng)將金圖案直接沉積在Si上(例如，通過使用光刻方法圖形化Au薄膜，或者采用自組裝方法來沉積膠體Au顆粒)時(shí)，可以使用VLS方法在金顆粒的位置處局部生長線。先前已經(jīng)描述了在Si(100)和Si(111)上外延生長GaP、GaAs、InP和InGaP，而GaN已經(jīng)外延生長在各種藍(lán)寶石表面(例如，Al2O3(001)、Al2O3(2-10)、Al2O3(100)、Al2O3(101))上。就線取向和線的(底)接觸而言，線和襯底之間的外延關(guān)系是有利的。該方法在襯底表面產(chǎn)生了獨(dú)立的線，如在其它實(shí)施例中所述的，可以執(zhí)行進(jìn)一步的處理。
圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中相變材料207沉積為納米線206周圍的薄層。納米線如參照圖1所描述的那樣生長。在該特定實(shí)施例中，納米線頂部具有金屬209。例如通過化學(xué)氣相沉積或者與濺射蝕刻相結(jié)合的濺射沉積，用具有良好臺(tái)階覆蓋性的相變材料層覆蓋所述線。所述線之間的區(qū)域隨后用介電材料210填充。拋光所述層的頂部(用虛線208表示)，并且在其上沉積電接觸(未示出)。
圖3示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中相變材料307設(shè)置在襯底302的導(dǎo)電層320上。之后，在其上沉積適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)電材料306(例如上述的半導(dǎo)電納米線)，并且向半導(dǎo)電材料306施加形式為金屬源電極和漏電極311的電接觸。隨后，可以在半導(dǎo)電材料306上沉積另一層相變材料312，使得所述半導(dǎo)電材料嵌入在相變材料307、312中。由于該第二層312，半導(dǎo)電材料可以在“全面”被相變材料激勵(lì)，這增加了所施加應(yīng)變的效果。當(dāng)通過例如加熱來對相變材料312進(jìn)行熱處理時(shí)，其經(jīng)歷可逆的局部體積膨脹，并且半導(dǎo)電材料306可逆地受到應(yīng)力。所得到的半導(dǎo)電材料306的帶隙變化導(dǎo)致半導(dǎo)電材料的電學(xué)特性發(fā)生改變。
盡管參考特定的示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言多種不同的改變、修改等是顯而易見的。所描述的實(shí)施例因此并不意圖限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其中能量帶隙可以可逆地改變，該器件包括半導(dǎo)電材料(306)；相變材料(307)，設(shè)置成呈現(xiàn)可逆的體積變化；其中所述半導(dǎo)電材料設(shè)置成與所述相變材料機(jī)械接觸，并且所述體積變化向所述半導(dǎo)電材料施加應(yīng)力，這導(dǎo)致所述半導(dǎo)電材料的能量帶隙變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)電材料嵌入相變材料(307，312)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體器件，其中將電介質(zhì)層施加于所述半導(dǎo)電材料(306)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的半導(dǎo)體器件，其中在所述半導(dǎo)電材料(306)處設(shè)置電接觸(311)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)電材料(306)包括至少一條半導(dǎo)電納米線。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件，其中該器件包括分段的多個(gè)半導(dǎo)電納米線(306)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)電納米線并列設(shè)置，并且半導(dǎo)電納米線之間的區(qū)域填充有介電材料(210)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的半導(dǎo)體器件，還包括具有導(dǎo)電層(320)的襯底(302)，該導(dǎo)電層上設(shè)置了所述相變材料(307)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的半導(dǎo)體器件，其中相變材料的體積膨脹由借助于外部能量源進(jìn)行的熱處理引起。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的半導(dǎo)體器件，其中相變材料的體積膨脹由借助于所述半導(dǎo)電材料進(jìn)行的熱處理引起。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)電材料(306)包含在發(fā)光二極管中，從而該半導(dǎo)電材料的變化的能量帶隙改變了從所述發(fā)光二極管發(fā)射的光的顏色。
全文摘要
本發(fā)明涉及能量帶隙可以可逆地改變的半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的思想是提供一種器件，其基于與在適當(dāng)尋址時(shí)呈現(xiàn)出可逆體積變化的材料機(jī)械接觸的半導(dǎo)電材料(306)，所述體積可逆變化的材料例如為相變材料(307)。該器件可例如用于發(fā)光器件、開關(guān)器件以及存儲(chǔ)器。通過向相變材料施加局部體積膨脹，半導(dǎo)電材料可以可逆地應(yīng)變。所得到的半導(dǎo)電材料的帶隙變化可用于調(diào)諧從例如LED或激光器發(fā)射的光的顏色。在其它應(yīng)用領(lǐng)域中，可控制半導(dǎo)體結(jié)的接觸電阻，這一特征在存儲(chǔ)器和開關(guān)中是非常有利的。
文檔編號H01L33/00GK101048922SQ200580037053
公開日2007年10月3日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)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(fèi)納 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司