[发明专利]纳米线隧道二极管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体隧道二极管并且具体地涉及使用纳米线制造的隧道二极管。

背景技术

隧道二极管从Leo Esaki发明它起的半个世纪内受到持续的关注。然而尽管认为隧道二极管具有与晶体管抗衡的前景，但是它在现实应用中远未实现这点。

隧道二极管的功能基于电荷载流子（charge carrier）的带间隧穿。隧道二极管在它的最简单形式中由接触的不同掺杂类型的两个退化掺杂半导体材料层组成。下文，n⁺⁺将表示利用施主（donor）的退化掺杂并且p⁺⁺将表示利用受主（acceptor）的退化掺杂。图1示意地图示了当跨越由这些层组成的结施加电压（V）时经过隧道二极管的电流（A）。当正向偏置时，电流先随着电压增加上至峰电压V_P而增加上至峰电流I_P，其中电压进一步增加上至谷电压V_V造成电流减少下至谷电流I_V。

由于退化掺杂在结的每侧上的半导体材料，所以费米能级（Fermi level）将对于n⁺⁺侧而言在导带（conduction band）中，并且对于p⁺⁺侧而言在价带（valence band）中。这造成在结的每侧上的电荷载流子具有相同能量和相反电荷，由此允许电荷载流子的隧穿和后续湮灭。

图2在a）-d）中分别示意地图示了用于图1中所示点A-D的能带图。E_C为导带能量，E_V为价带能量，E_F为费米能级能量，E_Fn和E_Fp分别为在施加电压时用于结的n型和p型侧的费米能级能量。随着电压增加，在E_Fn与E_Fp之间的能量差将指引经过结的隧穿。隧穿率与在导带与价带之间的带隙产生的势垒（barrier）的高度以及势垒的厚度两者呈负指数缩放。厚度由耗尽区域宽度给定，该宽度由材料中的掺杂浓度给定。电子和空穴质量对于隧穿率而言也是重要的。在点A，在零电压，结作为欧姆电阻来运转，并且与之类似，电阻与隧穿率成反比。

在点B，在V_P，在结上施加的电压造成导带中的自由电子与价带中的自由空穴在相同能量的最大重叠。在这一点，电流处于局部最大值并且当电压如点C举例示出的那样进一步增加时，这一重叠减少并且电流减少。然而在电压如在点D举例示出的那样甚至更高时，达到正常二极管在正向偏置域中的情形，其中电压增加伴随有电流增加。

电流随着电压增加而减少意味着结表现负微分电阻（NDR）。这是使得隧道二极管的发明受到如此关注的特征并且已经允许应用于若干不同领域中。隧道二极管已经用于振荡器、放大器、异质结双极晶体管以及压力计和发光二极管。针对隧道二极管的其他应用是在低功率存储器单元（所谓的隧穿SRAM）中和在用标准CMOS工艺单体集成的锁存器中以及用于单体集成的多结太阳能电池中的互连。

虽然在许多应用中有大量潜在益处，但是隧道二极管的使用由于无法令人满意的性能（主要归因于制作中的技术壁垒）而有限。现有技术的隧道二极管的制作普遍基于外延薄膜生长以及光刻和蚀刻，并且因此隧道二极管主要由基于Si、Ge和GaAs的材料制成并且可扩展性有限。

化合物半导体隧道二极管（诸如由GaAs制成的那些隧道二极管）不容易集成于优选硅衬底上。然而这已经用复杂和昂贵的加工（诸如在图案化的衬底上的晶片键合或者变质生长）得到示范。

发明内容

鉴于前述内容，本发明的一个目的是提供一种改进的隧道二极管。

因此提供一种用于制造隧道二极管的新方式。这一新方式涉及生长包括掺杂半导体材料的纳米线，掺杂半导体材料形成隧道二极管或者隧道二极管的至少部分。根据本发明的一种隧道二极管包括形成pn结的p掺杂半导体区域和n掺杂半导体区域。pn结在轴向或者核壳（core-shell）配置中至少部分形成于纳米线内。优选地，p掺杂半导体区域包括与n掺杂半导体区域的退化掺杂n++段相邻的退化掺杂p++段。