[发明专利]金属‑半导体‑金属(MSM)异质结二极管

说明书

要求优先权

本申请基于35U.S.C.§119(e)要求于2012年4月19日提交的美国临时专利申请61/687,163的优先权，其全部内容并入本文以供参考。

技术领域

本公开总体涉及二极管，具体而言，涉及高速二极管器件。

背景技术

一般的二极管在高千兆赫(GHz)或低太赫(THz)范围内具有截止频率(例如小于10THz的截止频率)，这样的截止频率对于工作频率范围有一定限制。此类二极管的示例包括肖特基二极管、反向隧穿二极管和金属-绝缘体-金属(MIM)隧穿二极管。

高速二级管，例如具有大于10THz的截止频率的二极管是各种应用中的关键元件。例如，与光学天线(被称为硅整流二极管天线)组合的高速二极管可以引起光学频率下的运行，例如红外至远红外信号的相干源生成和检测，以及用于能量转换的太阳辐射的整流。在这些操作中，光学天线负责光收集和发射，而二极管必须工作地足够快以匹配相应的光学频率，并且必须具有其他所需的电流-电压(I-V)特性，例如优异的非线性和整流特性。因此，获得具有大于100THz的截止频率和工作速度的高非线性二极管具有深远的技术和科学重要性。

发明内容

本公开描述了一种涉及金属-半导体-金属(MSM)异质结二极管的装置和方法。MSM二极管的晶体半导体层的厚度小于或者相当于入射到MSM二极管的半导体层的电荷载子的平均自由程，从而导致跨越半导体层的近弹道载子输运(near ballistic carrier transport)，并引起极高的热电子发射电流密度，同时还呈现出优异的非线性和整流特性。MSM二极管的串联电阻可以非常小。MSM二极管的截止频率可以超过100THz。

在本公开的一个方面中，二极管包括：具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的半导体层，半导体层具有介于第一侧和第二侧之间的厚度，且半导体层的厚度基于射入到半导体层的电荷载子的平均自由程；沉积在半导体层的第一侧上的第一金属层；和沉积在半导体层的第二侧上的第二金属层。

本公开的实现方式可以包括一个或多个以下特征。半导体层的厚度可以相当于或小于射入半导体层的电荷载子的平均自由程。在一些实现方式中，二极管具有超过100THz的截止频率。在一些实现方式中，二极管具有超过1000THz的截止频率。在一些实现方式中，第一金属层和第二金属层可以是相同的金属。在一些实现方式中，第一金属层可以是第一金属，第二金属层可以是第二金属，第一金属和第二金属可以是不同的金属。可以简并掺杂半导体层的表面以用于产生欧姆接触。半导体层可以包括一种或多种单独的单晶半导体、多晶半导体或这两者的组合。半导体层可以包括一种或多种半导体，例如硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)、锑化铝(AlSb)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、铟镓砷(InGaAs)、氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化镉(CdS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO₂)、硫化铅(PbS)和碲化铅(PbTe)。第一金属层和第二金属层中的每一个可包括从以下组中选择的至少一种金属：银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、钴(Co)、铬(Cr)、铜(Cu)、钆(Gd)、铪(Hf)、铟(In)、铱(Ir)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、铅(Pb)、钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)和锌(Zn)。二极管可以是金属-半导体-金属异质结二极管(MSM二极管)，其中MSM二极管进一步包括：第一金属层和第二金属层中的一个或多个与半导体层之间的异质结。

在本公开的另一个方面中，一种用于制造二极管的方法包括：提供具有第一侧和相对于第一侧的第二侧的半导体，半导体具有介于第一侧和第二侧之间的厚度，且该厚度基于射入到半导体层的电荷载子的平均自由程；在半导体的第一侧上沉积第一金属，在半导体层的第二侧上沉积第二金属。