用于高功率电子器件的可调势垒晶体管制造技术

提供了可在高功率电子器件中使用的可调势垒晶体管的各种方面。在一个例子中，除了别的以外，可调势垒晶体管还包括：无机半导电层；包括布置在无机半导电层上的纳米碳膜的源极电极；布置在纳米碳膜上的栅极介电层；以及布置在纳米碳膜的至少一部分之上的栅极介电层上的栅极电极。纳米碳膜可形成与无机半导电层的源极‑沟道界面。由栅极电极产生的栅极场可调制在源极‑沟道界面处的势垒高度。栅极场也可调制在源极‑沟道界面处的势垒宽度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年4月24日提交的标题为“TUNABLE BARRIER TRANSISTORS FOR HIGH POWER ELECTRONICS”的具有序列号61/983,779的共同未决的美国临时申请的优先权，该临时申请特此通过引用被全部并入。关于联邦资助的研究或发展的声明本专利技术是政府在根据由美国国家科学基金会授予的协定CCS-1232018支持之下做出的。政府对本专利技术具有某些权利。背景功率转换用于调节和分配电力，或者是沿着高电压电力线以兆瓦传输或者是通过计算机的逻辑门以纳安培驱动。用于从一个电压或相位跨到另一电压或相位、将AC转化成DC或隔离馈电线的功率转换单元，对于它们的操作，依赖于电子开关。理想的开关在具有对电流接近零的电阻的接通状态和对开关频率的范围接近无穷大的电阻的断开状态之间摆动。附图的简要说明参考以下附图可更好地理解本公开的很多方面。在附图中的部件不一定按比例，相反强调清楚地说明本公开的原理。而且，在附图中，相似的参考数字在全部几个视图中指示相应的部件。图1A和1B是根据本公开的各种实施方式的可调势垒晶体管(TBT)器件的例子的视图。图2是根据本公开的各种实施方式的碳纳米管的稀释网(dilute network)的原子力显微图像。图3是根据本公开的各种实施方式的在TBT中工作的电流注入调制机构的示意图。图4A-4B和5A-5B是根据本公开的各种实施方式的可调势垒晶体管(TBT)器件的例子的视图。图6是根据本公开的各种实施方式的包括若干启用碳纳米管的垂直TBT器件的原型硅基器件的图像。图7A-7D和8A-8B是示出根据本公开的各种实施方式的基于硅的、启用碳纳米管的垂直TBT器件的性能的曲线图。图9A和9B是示出根据本公开的各种实施方式的另一启用碳纳米管的垂直TBT器件的传递和输出曲线的例子的曲线图。详细描述在本文公开了涉及可在高功率电子器件中使用的可调势垒晶体管的各种例子。现在将详细参考如在附图中示出的实施方式的描述，其中相似的数字在全部几个视图中指示相似的部件。虽然传统机电系统可适应电网级负载，它们减慢开关速度——在秒或分钟的数量级上，限制电网整体的效率。固态电子开关(例如MOSFET和IGBT)另一方面可在从赫兹的10s到吉赫兹的100s的频率的宽带宽下有效地被接通和断开，但它们被限制到低和中等水平功率管理应用。具有穿孔的碳纳米管和/或石墨烯的使用允许分立和集成可调势垒晶体管的开发，可调势垒晶体管在接通时可有效地驱动非常大的电流(>100A)，同时在它们的断开状态中阻断大电压(>1kV)。参考图1A和1B，分别示出基于硅的、启用碳纳米管的垂直可调势垒晶体管(TBT)100的例子的透视图和横截面视图。垂直TBT 100包括布置在无机硅层(或由例如晶体半导体制成的衬底)102的一侧上的漏极电极101。在无机硅层102的另一侧上的是包括暴露下层半导体102的开口或间隙的介电层103(例如SiO2)。在图1A和1B的例子中，碳纳米管104的稀释网越过介电层103和暴露的半导体层102延伸到布置在与半导体层102相对的介电层103上的源极电极触头105。在一些实施方式中，源极电极触头105可在碳纳米管104的稀释网的一部分之上形成以形成源极电极。碳纳米管104的稀释网可包括单壁纳米管(SWNT)。图2示出碳纳米管104的稀释网的例子的原子力显微图像。图像示出在1微米x 1微米长度规模下在TBT器件100中使用的一般纳米管表面密度。亮的线性物体是由每捆1到10个纳米管组成的单壁碳纳米管捆。在一些实施方式中，具有穿孔的石墨烯的薄层可代替碳纳米管104来使用。碳纳米管和石墨烯与常规金属的关键差别是这些纳米碳的低密度状态(DOS)给它们赋予可调费米能级——在高DOS常规金属中看不到的东西。回来参考图1A和1B，电介质106的薄层在源极电极触头105之间布置在碳纳米管104的稀释网上的整个TBT 100上。栅极电极106在介电层103的开口或间隙中布置在碳纳米管104的稀释网之上的薄介电层106上。栅极场可经由在稀释网中的纳米管之间的开口区接近在纳米管104的网和无机半导体102之间的界面，以修改肖特基势垒并从而控制通过无机半导体102在源极电极触头105之间流到漏极101的电流。在稀释纳米管网104的SWNT捆(图2)之间的间隔允许栅极场容易接近纳米管-半导体界面。在实质上较高的碳纳米管表面密度下(或具有连续的石墨烯薄层)，栅极场相对于纳米管-半导体界面部分被屏蔽并通过穿过管/薄层被减弱，而不是能够绕过碳纳米管104。启用碳纳米管或石墨烯的可调势垒晶体管(CN-TBT或G-TBT)基于在纳米碳源极触头和无机半导体沟道之间形成的栅极可调肖特基势垒。因为金属半导体结的特征由在结搭配之间的费米能级偏移规定(到第一阶)，如果结的“金属”侧是碳纳米管或石墨烯，则它的费米能级的栅极场调节提供调节结特征的方式。不是如在常规晶体管中的控制在两个欧姆触头之间的半导体沟道的载流子密度，栅极电压调制在源极-沟道界面处的势垒高度和宽度。参考图3，示出在TBT 100中工作的电流调制机构的示意图。不是控制在欧姆源极和漏极电极之间的沟道区中的载流子浓度，栅极电极控制在源极电极和半导体沟道之间形成的肖特基结处的电荷注入势垒的高度(实线303)和宽度(点线306)。初始肖特基势垒帮助限制断开状态漏电流，同时栅极引起的势垒降低和薄化导致在接通状态中的全欧姆注入(势垒也可由依赖于源极漏极偏压的在半导体中的图像-力效应降低)。通过在反向偏压中操作器件，可实现非常大的驱动电流，同时维持高接通/断开比。TBT 100的值得注意的方面包括：●包括低能态密度半金属(例如石墨烯薄层或碳纳米管膜)的可调功函数源极电极；●允许栅极场接近半导电材料的源极电极膜的所设计的孔隙度和电场透明度；●在闭塞的源极电极(ungated source electrode)和半导电沟道之间形成的肖特基势垒；●用于选通源极电极和相邻半导体以便控制在接触势垒两端的电阻的机构；●具有高电流承载能力和电场击穿的无机半导电沟道(硅或宽带隙无机半导电或半绝缘材料，包括但不限于，GaN、SiC、AIN和/或钻石)；以及●器件几何结构，其中源极触头在正常操作期间相对于漏极电极被反向偏压。参考图4A到4B，示出垂直TBT 100的另一例子的图形表示。图4A包括连续层被剥离以示出层顺序的顶视图，以及示出沿着所指示的虚线的连续层的横截面视图，其中层101是最底部的层。图4B示出透视图，其中连续层被剥离以进一步示出层顺序。在图4A和4B的例子中，TBT 100被制造在由层102表示的晶体无机半导体(例如Si、GaAs、GaN或SiC)上。层101是沉积到半导体层102的背侧上的漏极金属电极。为了确保与漏极电极101的欧姆接触的目的，半导体102可包括在漏极电极(未示出)之下的高掺杂稀释层。在半导体的顶表面(与漏极电极101相对)上的是氧化物或氮化物介电层103(例如大约10nm到大约500nm厚)，其被图案化到一组相邻线内以暴露下层半导体(SC)102。虽然在图4A中只示出3个平行线，可根据由TBT器件100控制的总的最大电流来修本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调势垒晶体管，包括：无机半导电层；源极电极，其包括布置在所述无机半导电层的第一侧的一部分上的纳米碳膜，所述纳米碳膜形成与所述无机半导电层的源极‑沟道界面；栅极介电层，其布置在所述源极电极的所述纳米碳膜上；以及栅极电极，其布置在被布置为在所述无机半导电层的所述第一侧的所述一部分上的、所述源极电极的所述纳米碳膜的至少一部分之上的所述栅极介电层上，其中由所述栅极电极产生的栅极场调制在所述源极‑沟道界面处的势垒高度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.24 US 61/983,7791.一种可调势垒晶体管，包括：无机半导电层；源极电极，其包括布置在所述无机半导电层的第一侧的一部分上的纳米碳膜，所述纳米碳膜形成与所述无机半导电层的源极-沟道界面；栅极介电层，其布置在所述源极电极的所述纳米碳膜上；以及栅极电极，其布置在被布置为在所述无机半导电层的所述第一侧的所述一部分上的、所述源极电极的所述纳米碳膜的至少一部分之上的所述栅极介电层上，其中由所述栅极电极产生的栅极场调制在所述源极-沟道界面处的势垒高度。2.如权利要求1所述的可调势垒晶体管，其中由所述栅极电极产生的所述栅极场还调制在所述源极-沟道界面处的势垒宽度。3.如权利要求1所述的可调势垒晶体管，其中所述无机半导电层包括晶体半导体。4.如权利要求3所述的可调势垒晶体管，其中所述晶体半导体是单晶半导体。5.如权利要求3所述的可调势垒晶体管，其中所述无机半导电层包括硅(Si)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AIN)或钻石。6.如权利要求1所述的可调势垒晶体管，其中所述源极电极的所述纳米碳膜包括碳纳米管的稀释网。7.如权利要求6所述的可调势垒晶体管，其中所述碳纳米管的稀释网具有按照质量在大约0.05μg/cm2到大约1.0μg/cm2的范围内的纳米管表面密度。8.如权利要求1所述的可调势垒晶体管，其中所述源极电极的所述纳米碳膜包括具有穿孔的石墨烯的薄层。9.如权利要求1所述的可调势垒晶体管，其中所述栅极电介质包括高k电介质。10.如权利要求9所述的可调势垒晶体管，其中所述栅极电介质的厚度是大约100nm或更小。11.如权利要求10所述的可调势垒晶体管，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克斯·G·莱迈特雷，陈霄，刘波，M·A·麦卡锡，A·G·林兹勒，
申请(专利权)人：佛罗里达大学研究基金会公司，
类型：发明
国别省市：美国;US