[发明专利]载流子流产生电子器件及方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括用于产生载流子流发生器的电子器件。

本发明还涉及用于产生载流子流的方法。

背景技术

存在着许多电子器件利用载流子流的产生，例如电子或空穴，以改变材料的性能。例如在熔丝或反熔丝的情况下，这种性能的改变可以是永久性的或者可以是可逆的。利用可逆的性能改变的器件的示例包括显示设备，其中电子流可以用于激发含磷物质从基态到电子激发态。这种电子器件的其他示例包括基于场发射器的器件和相变存储器。

相变存储器典型地包括例如硫族化合物(chalcogenide)的材料或半导体材料，可以在不同的固态如低电阻结晶态和高电阻非晶态之间转换，在低电阻结晶态中材料的原子或分子采用高度有序的取向，在高电阻非晶态中材料的原子或分子随机排序。典型地，通过相变材料暴露于电流造成由于其固有电阻使该材料加热，实现热致相变。可以通过熔化该材料并让其冷却下来触发相变，典型地，造成材料采取非晶态，或者通过加热非晶态至结晶激活温度以上但在熔点以下，从非晶态变为结晶态从而触发相变。

有关这种载流子流产生电子器件例如相变存储器的一个问题是电子流的截面积通常受到用于制造该器件的光刻工艺的可以达到的最小尺寸的控制。这限制了可以实现的分辨率。具体地，在相变存储器中，必须实现某一电流密度，从而触发相变材料中的相变。这意味着在围绕相变材料的电极的上方存在相对巨大的电势差，导致相对高功率消耗。

在现有技术领域已经认识到这个问题。例如，在US专利申请No.US2004/0197947A1公开了一种相变存储器单元，其中使用了具有负微分电阻(NDR)的材料。这种材料当暴露于足够的电势差时，显示出一种丝状传导沟道(filamentary conduction channel)。该丝状传导允许加热亚光刻尺寸的相变材料的一个区域。然而，基于NDR材料的器件的众所周知的缺点是，采用标准的半导体制造工艺不易生产。

发明内容

本发明旨在提供一种包括载流子流发生器的电子器件，例如电子流，可以采用标准的半导体制造技术制造。

本发明还旨在提供一种用于产生载流子流的方法，使得可以实现采用标准的半导体制造技术制造的器件。

根据本发明的第一方面，提供一个电子器件，包括用于产生载流子流的发生器以及控制器，该发生器包括具有发射极区、集电极区和基极区的双极晶体管，并且该基极区在发射极区和集电极区之间取向(oriented)，而控制器用于控制双极晶体管暴露于超过其开路基极击穿电压(BV_CEO)的电压，使得发射极区从比发射极区的表面区域更小的第一区域产生载流子流。

本发明基于以下认识，处于击穿模式的双极晶体管的已知的电流箍缩效应(current pinch-in effect)，引起亚光刻规模(sub-lithographic scale)电子和/或空穴流的产生，可以在例如场发射器和相变存储器的电子器件中得以利用。这还基于对以下公开文献的认识：由Panko等人在IEEE 44*Annual International Reliability Physics Symposium，San Jose，USA，2006，第512-515页所著的“Time-To-Fail Extraction Model for the‘Mixed-Mode’Reliability of High-Performance SiGe Bipolar Transistors”中，双极晶体管可以在其击穿状态下长时间操作，在击穿条件下对其性能没有不利影响。因此，用于改变材料例如相变材料的物理状态的亚光刻规模电子流源可以采用常规光刻制造工艺提供。双极晶体管可以以反型模式操作，因为这个模式的电流箍缩更为显著。在本发明中，反型模式操作包括双极晶体管的正向偏置集电极-基极二极管和反向偏置基极-发射极二极管。本发明的电子器件典型地包括多个双极晶体管，例如多个存储器单元，每一个双极晶体管配置为触发材料性能的变化。

选择双极晶体管的掺杂分布，使得箍缩效应与设计在亚击穿电压状态下操作的双极晶体管相比得以增强。例如，选择较低基极掺杂以增加基极区的电阻。由基极-集电极耗尽区中的高电场造成导致电流箍缩的雪崩机制。可以通过增加集电极区的掺杂浓度增强这个电场，因此进一步放大电流箍缩。在一个有利的实施例中，集电极区的掺杂分布包括横向梯度，进一步在具有高掺杂浓度的区域集中箍缩的产生。横向掺杂分布可以在集电极区的中心周围是对称的，并且可以包括钟形(bell-shaped)的浓度分布。