采用突变金属-绝缘体转变半导体材料的二端子半导体器件制造技术

提供一种使用突变ＭＩＴ半导体材料层的二端子半导体器件。该二端子半导体器件包括：第一电极层，设置在该第一电极层上并具有小于２ｅＶ的能隙以及位于空穴能级的空穴的突变ＭＩＴ半导体有机或者无机材料层，以及设置在该突变ＭＩＴ半导体有机或无机材料层上的第二电极层。通过在第一电极层和第二电极层之间施加场，在该突变ＭＩＴ半导体材料层中产生突变ＭＩＴ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件及其制造方法，并且特别涉及一种采用突变金属-绝缘体转变(metal-insulator transition，MIT)半导体材料的二端子半导体器件及其制造方法。
技术介绍
近来，采用结构相变材料的存储器已经引起了人们的注意并且关于该存储器的研发已经积极进行着。采用结构相材料的存储器的例子已经公开在美国专利No.5,687,112中。所公开的存储器是使用结晶相和在高温下出现的无定形相的相变存储器(phase change memory，PCM)。该装置可用作存储器，这是因为它能够利用按照结构相变的相改变。然而，该装置不能用于其他用途，如开关器件，这是因为由于按照结构相变的原子的位置改变不能实现快速的开关速度。如果要求快速的开关速度，那么该存储器由于滞后现象可能会损坏。相变存储器的缺点是其应用受到限制。另一方面，连续的金属-绝缘体晶体管，即，使用了处于允许第二转变的绝缘体中的Mott-Hubbard绝缘体的Mott-Hubbard场效应晶体管，已经作为利用金属-绝缘体转变的半导体器件提出。Mott-Hubbard场效应晶体管已经由D.M.Newns、J.A.Misewich、C.C.Tsuei、A.Gupta、B.A.Scott和A.Schrott公开在Appl.Phys.Lett.73(1998)780中。Mott-Hubbard场效应晶体管根据金属-绝缘体转变实现ON/OFF操作。与传统的MOS场效应晶体管不同，该晶体管的集成密度能显著改进，这是因为不存在耗尽层。同样，与MOS场效应晶体管相比，Mott-Hubbard场效应晶体管具有更高速度的开关特性。然而，必须加入用于载流子的电荷直到Mott-Hubbard场效应晶体管达到金属特性为止，这是因为Mott-Hubbard场效应晶体管使用连续发生的MIT。因此，所加入的电荷必须具有高浓度，并且栅绝缘层的介电常数必须高，栅绝缘层的厚度必须薄，并且所施加的栅电压必须大于所加入电荷的高浓度。然而，如果介电常数太高，由于电介质的疲劳特性可在高开关速度下劣化，因此晶体管的寿命降低。存在制作薄绝缘体的工艺限制。而且，当栅电压太高时，存在功耗高的缺点。为了解决这些问题，采用非连续转变的突变MIT半导体材料的开关场效应晶体管已经公开在美国专利No.6624463中。该突变MIT半导体材料具有一种特性，即通过加入低浓度空穴到Mott-Brinkman-Rice绝缘体中，从绝缘体到金属的转变快速而非连续地发生。该空穴驱动金属-绝缘体转变理论已经公开在由Hyun-Tak Kim发表在北约科学丛刊(NATO Science Series)Vol II/67(Kluwer，2002)pp.137以及网址http//xxx.lanl.gow/abs/cond-mat/0110112的文章“超导电性的新趋势(New Trendin Superconductivity)”中。Hyun-Tak Kim、Byung-Gyu Chae、Doo-Hyeb Youn、Sung-Lyul Maeng、Gyungock Kim、Kwang-Yong Kang以及Yong-Sik Lim在新物理杂志(New Journal of Physics)6(2004)52中还已经公开了关于采用二氧化钒(VO2)的突变MIT的研究，其中二氧化钒是代表性的Mott-Brinkman-Rice绝缘体。使用连续金属-绝缘体转变材料的场效应晶体管的问题在开关场效应晶体管中解决了，这是因为所加入的空穴浓度非常低。然而，突变MIT半导体材料的可用性受到限制，并且形成突变MIT半导体材料层的成本高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种二端子半导体器件，其采用容易以低成本形成的突变MIT半导体材料(abrupt MIT semiconductor material)而不产生结构相变。本专利技术还提供一种制造采用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件的方法。本专利技术中的半导体是具有小于2eV的能隙以及空穴能级或者电子能级并且低温下用作绝缘体的材料。空穴能级表示该材料具有空穴，电子能级表示该材料具有电子，并且该材料包括有机和无机材料。根据本专利技术的一方面，提供一种二端子半导体器件，其包括作为衬底的第一电极层，设置在该第一电极上的突变MIT有机或无机半导体材料层，以及设置在该突变MIT有机或无机半导体材料层上的第二电极层。该突变MIT半导体材料层可包括加入低浓度空穴的Si、Ge、Al、As、Sb、B、N、Ga、P、In、Te、Ag、Cd、Zn、Pb、S、Bi、K、H、Be、O或者C的单个p型半导体或者由这些元素组成的化合物半导体。该突变MIT半导体材料层可包括加入低浓度空穴的Y、Pr、Ba、Cu、La、Sr、Ti、V、Ca、Fe、W、Mo、Nb、Al、Hf、Ta、Zr、La、Bi、Pd或者O的单个p型半导体或者由这些元素组成的化合物半导体。该突变MIT半导体材料可包括加入低浓度空穴的Fe、S、Sm、Se、Te、Eu、Si、Mn、Co、B、H、Li、Ca、Y、Ru、Os、P、As、P、Ir、Ti、Zr、Hf、Mo、Te、Tc、Re、Rh、Pt、Yb、B、O或者C、过渡元素、土族元素、以及镧系元素的单个p型半导体或者由这些元素组成的化合物半导体。该突变MIT半导体材料层可包括无机化合物半导体，包括加入低浓度空穴的p型半导体，加入低浓度空穴的p型氧化物半导体，加入低浓度空穴的p型半导体元素(III-V以及II-VI族)，过渡金属元素，稀土元素，镧系元素；加入低浓度空穴的p型有机半导体；以及绝缘体。加入低浓度空穴的p型半导体可包括Si(100)、Si(111)、Si(110)、Si:B、Si:P、Ge(100)、SiC、SiGe、AlAs、InAlAs、AlSb、BN、GaAs、InGaAs、GaP、GaSb、GaxSb1-x(0≤x≤0.5)、GexSb1-x(0≤x≤0.2)、InN、InAs、InP、InSb、InxSb1-x(0≤x≤0.5)、GeaInbSbcTed(0≤a≤0.2，0≤b≤0.2，0.5≤c≤1，0≤d≤0.5)、InxSbyTez(0≤x≤0.2，0.5≤y≤1，0≤z≤0.3)、AgaInbSbcTed(0≤a≤0.2，0≤b≤0.2，0.5≤c≤1，0≤d≤0.5)、TeaGebSncAud(0.5≤a≤1，0≤b≤0.2，0≤c≤0.3，0≤d≤0.5)、AgSbTe2、AgInTe2、GeCdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、PbS、PbSe、PbTe、灰Sn、灰Se、Sb、Te、Sb1-xTex(0≤x≤0.5)、B、DAC(类金刚石无定形碳)、TAC(四面体无定形碳)N、a-C；H(无定形氢化碳层)、或者DLC(类金刚石碳)、K4C60、K6C60、Ga-As-Si系、Ga-GaAs-Ge系、Ga-GaAs-Sn、Ga-As-Sn系、Ga-As-Zn系、Ga-P-Si系、Ga-P-Zn系、Ga-P-Ge系、GaP-Bi系、GeTe-Bi2Te3、GeSb2Te4、GaP:N、GaAs:Ca、GaAs:K、GaAs:Cl或者GeBi2Te4。加入低浓度空穴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二端子半导体器件，包括：作为衬底的第一电极层；设置在所述第一电极上的、具有小于２ｅＶ的能隙以及位于空穴能级中的空穴的突变ＭＩＴ半导体有机或者无机材料层；以及　设置在所述突变ＭＩＴ半导体有机或者无机材料层上的第二电 极层。

【技术特征摘要】
KR 2004-7-15 55096/041.一种二端子半导体器件，包括作为衬底的第一电极层；设置在所述第一电极上的、具有小于2eV的能隙以及位于空穴能级中的空穴的突变MIT半导体有机或者无机材料层；以及设置在所述突变MIT半导体有机或者无机材料层上的第二电极层。2.权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变MIT半导体材料层包括加入了低浓度空穴的Si、Ge、Al、As、Sb、B、N、Ga、P、In、Te、Ag、Cd、Zn、Pb、S、Bi、K、H、Be、O或者C的p型半导体或者由这些元素组成的p型化合物半导体。3.权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变MIT半导体材料层包括加入了低浓度空穴的Y、Pr、Ba、Cu、La、Sr、Ti、V、Ca、Fe、W、Mo、Nb、Al、Hf、Ta、Zr、La、Bi、Pd或者O的p型半导体或者由这些元素组成的p型化合物半导体。4.权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变MIT半导体材料层包括加入低浓度空穴的Fe、S、Sm、Se、Te、Eu、Si、Mn、Co、B、H、Li、Ca、Y、Ru、Os、P、As、P、Ir、Ti、Zr、Hf、Mo、Te、Tc、Re、Rh、Pt、Yb、B、O或者C、过渡元素、稀土元素、以及镧系元素的p型半导体或者由这些元素组成的p型化合物半导体。5.权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变MIT半导体材料层包括无机化合物半导体，包括加入低浓度空穴的p型半导体，加入低浓度空穴的p型氧化物半导体，加入低浓度空穴的p型半导体元素(III-V以及II-VI的族的类型)，过渡金属元素，稀土元素，镧系元素；加入低浓度空穴的p型有机半导体；以及绝缘体。6.权利要求5的二端子半导体器件，其中所述加入低浓度空穴的p型半导体包括Si(100)、Si(111)、Si(110)、Si:B、Si:P、Ge(100)、SiC、SiGe、AlAs、InAlAs、AlSb、BN、GaAs、InGaAs、GaP、GaSb、GaxSb1-x(0≤x≤0.5)、GexSb1-x(0≤x≤0.2)、InN、InAs、InP、InSb、InxSb1-x(0≤x≤0.5)、GeaInbSbcTed(0≤a≤0.2，0≤b≤0.2，0.5≤c≤1，0≤d≤0.5)、InxSbyTez(0≤x≤0.2，0.5≤y≤1，0≤z≤0.3)、AgaInbSbcTed(0≤a≤0.2，0≤b≤0.2，0.5≤c≤1，0≤d≤0.5)、TeaGebSncAud(0.5≤a≤1，0≤b≤0.2，0≤c≤0.3，0≤d≤0.5)、AgSbTe2、AgInTe2、GeCdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、PbS、PbSe、PbTe、灰Sn、灰Se、Sb、Te、Sb1-xTex(0≤x≤0.5)、B、DAC(类金刚石无定形碳)、TAC(四面体无定形碳)N、a-C；H(无定形氢化碳层)、或者DLC(类金刚石碳)、K4C60、K6C60、Ga-As-Si系、Ga-GaAs-Ge系、Ga-GaAs-Sn、Ga-As-Sn系、Ga-As-Zn系、Ga-P-Si系、Ga-P-Zn系、Ga-P-Ge系、GaP-Bi系、GeTe-Bi2Te3、GeSb2Te4、GaP:N、GaAs:Ca、GaAs:K、GaAs:Cl或者GeBi2Te4。7.权利要求5的二端子半导体器件，其中所述加入低浓度空穴的p型氧化物半导体包括Y1-xPrxBa2Cu3O7(0≤x≤1)、La2-xSrxCuO4(0≤x≤1)、La2-xBaxCuO4(0≤x≤1)、Ba1-xSrTiO3(0≤x≤1)、La1-xSrTiO3(0≤x≤1)、VO2、V2O3、CaxV1-xO2(0≤x≤1)、AlxV1-xO2(0≤x≤1)、TixV1-xO2(0≤x≤1)、FexV1-xO2(0≤x≤1)、WxV1-xO2(0≤x≤1)、MoxV1-xO2(0≤x≤1)、Fe3O4、Nb2O5、WO3、Ti2O3、PdO、Al2O3、HfO2、SiO2、Y2O3、Ta2O5、TiO2或者ZrO2。8.权利要求5的二端子半导体器件，其中包括加入低浓度空穴的p型过渡金属的半导体包括Fe1-xS(0≤x≤0.5)、SmS、SmSe、SmTe、Eu3S4、FeSi2、Fe1-xMnxSi2(0≤x≤0.5)、Fe1-xCoxSi2(0≤x≤0.5)、B:H(9％)、B:H(11％)、B:H(24％)、LiAlBl4、CuB4、CaB6、a-AlBl2、YB66、SmB66、Mn11Si19、Mn26Si45、Mn15Si26、Ru2Si3、Fe2Si2、RuP2、RuPAs、RuAs2、OsP2、OsAs2、RhP2、RhAs2、IrP2、IrAs2、RuP4、FeAs、RuAsS、OsPS、OsAsS、OsPSe、Ti1+xS2(0≤x≤0.5)、TiS3-x(0≤x≤0.5)、Zr1+xSe2(0.01≤x≤0.1)、Zr2S3、ZrSe3、HfSe2、MoS2、2H-MoTe2-x(0.01≤x≤0.1)、2H-WSe2、MnTe、TcS2、TcSe2、ReS2、ReSe2、FeS2、RuS2、RuSe2、RhS3、RhSe2、RhSe3、IrS2、IrSe2、PtS、PtxS2(0.9≤x≤1)、SmTe、EuTe、YbSe、YbTe或者BC...

【专利技术属性】
技术研发人员：金铉卓，尹斗协，蔡秉圭，姜光镛，任龙植，金敬玉，孟成烈，金圣贤，
申请(专利权)人：韩国电子通信研究院，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]