径向纳米线江崎二极管装置和方法制造方法及图纸

径向纳米线二极管装置包括第一导电类型的半导体芯和不同于第一导电类型的第二导电类型的半导体壳。该装置可以是TFET或太阳能电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
呈栅控江崎二极管（例如，具有负电阻特征和/或以反向或齐纳方向操作的栅控二极管）形式的隧道或隧穿场效晶体管（“TFET”）目前被认为用于在VDD< 0.3V操作的数字应用。这些晶体管的主要优点在于可能使用在晶体管低于kT/q发热限制而操作的情况下的陡斜率，以减小的栅极摆幅（gate swing），减小断开电流。晶体管操作依靠带通效应，其中，基于经由晶体管栅极控制的跨能带隙的隧穿（例如，电子从n型半导体材料的导带隧穿到pn结的相邻p型半导体材料的价带内）获得驱动电流。因为能带隙阻挡了载流子的直接隧穿，则由有限数量的可用状态而减小了断开电流。隧道晶体管的主要优点包括驱动电流，即在接通状态相反亚阈值斜率（或亚阈值摆幅）的电流水平以及限定晶体管可能如何准确地断开的断开状态电流。断开状态对于TFET而言通常不成问题，因为断开状态电流由pn结的反向泄漏电流决定。通常，已知难以在亚阈值区域获得高驱动电流以及陡斜率。问题的部分涉及需要栅电极与pn结准确对准，其中未对准将减轻栅效应并且降低跨结的电场。在结的任一侧上的高掺杂水平将增加驱动电流，但另一方面，高掺杂水平将使反亚阈值斜率降级，这是由于在能带隙中引入带尾状态。陡斜率隧道装置的重要方面是参与隧穿的热激励载流子量；在结附近感应的任何可能的空穴将引入热载流子群（经由费米-狄拉克函数）。如果由那些载流子供应隧穿，亚阈值摆幅立即降级到最佳地60 毫伏/十进位（mV/decade）（热注入载流子的理论极限）。这通常是TFET装置的情况。还已知江崎二极管优选地利用具有小的有效质量的材料制成以增加隧穿电流/隧道电流（tunneling current）并且异质结构优选地用以增加驱动电流，一个示例是InAs/GaSb。另一问题是Dit效应，其将增加斜率并且特别地对于异质结构装置而言，识别并且处理与不同半导体材料兼容的高k电介质是有挑战性的。
技术实现思路
在一实施例中，一种包括径向纳米线江崎二极管的装置，其中径向纳米线包括第一导电类型的半导体芯和不同于第一导电类型的第二导电类型的半导体壳。在一实施例中，该装置包括栅控江崎二极管（例如，TFET），其包括径向半导体纳米线。在径向半导体纳米线的相反掺杂芯与壳之间的隧穿电流基本上平行于由栅电极提供给径向半导体纳米线的电场而流动。在另一实施例中，该装置包括多结太阳能电池，多结太阳能电池包括平面太阳能电池和所述径向纳米线江崎二极管。附图说明图1A和图1B分别是沿着线B'-B和A'-A的径向纳米线TFET装置的相应顶视和侧视截面图。图1C为图1A和图1B的装置的能带图。图2示出了TFET的替代实施例的侧视截面图。图3为径向和轴向TFET的漏电流（漏极到源极电流）与栅极电压（栅极到源极电压）关系的模拟曲线图。图4和图5分别为径向和轴向TFET的漏极电流（漏极到源极电流）与栅极电压（栅极到源极电压）关系的模拟曲线图。图6至图7为径向TFET的尺寸曲线图以及图8至图9为轴向TFET的尺寸曲线图。图10A和图10B分别为包含轴向和径向纳米线的模拟TFET的右侧部分的侧视截面图，其分别用于图4、图6、图7和图5、图8、图9的相应模拟。图10C示出了图10B所示的结构的示例性实施例。图11A至图11D为本专利技术的实施例的多结太阳能电池的侧视截面图。图12A和图12B为根据本专利技术的一实施例，作为温度函数的电流与电压关系和PVCR与温度关系的相应曲线图，以示出江崎二极管的温度相关性电流-电压特征。具体实施方式本专利技术的实施例是基于包括所谓的纳米线的纳米结构。对于本申请的目的，纳米线被解释为在它们的宽度和直径方面具有纳米尺寸并且通常具有细长形状。这种结构通常也被称作纳米须、纳米杆、纳米管、一维纳米元件等。优选地，纳米线基本上为杆形半导体结构，具有小于1微米的直径，诸如50mm或更小和多达数微米的长度。纳米线在其基部处连接到基板，基板可包括在纳米线下方的外延半导体层。熟知的是通过粒子辅助生长或所谓的VLS（气-液-固）机制在基板上形成纳米线的基本工艺（描述于美国专利No. 7,335,908，其以全文引用的方式并入到本文中）以及不同类型的化学束外延和气相外延方法。然而，本专利技术并不限于这种纳米线也不限于这种VLS工艺。在本领域中已知用于生长纳米线的其它合适方法并且例如在美国专利No. 7,829,443中示出，该专利以全文引用的方式并入到本文中。由此得出可以不使用粒子作为催化剂来生长纳米线。纳米线穿过生长掩模中的开口而突伸，诸如由氮化硅制成的掩模或另一绝缘层。通过首先在基板上设置生长掩模并且在生长掩模中产生开口来生长纳米线。开口优选地在它们的直径和它们的相对定位方面受到良好控制。在本领域中已知的若干技术可以用于这个过程，包括（但不限于）电子束光刻（EBL）、纳米压印光刻、光学光刻和反应性离子蚀刻（RIE）或湿式化学蚀刻方法。优选地，开口具有大约100nm直径并且以0.5-5μm间距间隔开。开口限定待生产的纳米线的位置和直径。半导体纳米线芯然后通过基于CVD的工艺而生长。然后可以围绕芯形成径向半导体壳。因此，也可包括选择性地生长的纳米线和纳米结构、蚀刻结构、其它纳米线、和由纳米线制成的结构。纳米线沿着其径向方向（或者对于当从顶部观看时具有非圆形截面的纳米线而言，宽度方向）并不均匀。纳米尺寸不仅能允许在不存在有与纳米线材料匹配的晶格的基板上生长，而且也可以在纳米线中设置异质结构。（多个）异质结构包括与纳米线的一个或多个相邻壳部分不同组成的半导体材料芯。（多个）壳异质结构区段的材料可以具有与芯不同的组成和/或掺杂。异质结可以是突然的或缓变的。本专利技术的一实施例提供一种纳米线TFET装置（例如，栅控江崎二极管）其中隧穿电流在纳米线结构的径向方向上流动并且其中围栅用于控制电流流动，使得栅电场基本上平行于隧穿电流流动。在一实施例中，在纳米线二极管的n型部分与p型部分之间的隧穿电流基本上平行于（例如，在平行的0-20度内）支承着纳米线的主基板表面和/或基本上垂直于（例如，在垂直的20度内）朝向纳米线和位于纳米线与栅电极之间的栅绝缘层的栅电极表面而流动。这允许同时调制电位以及电场，电位和电场都有助于构成跨二极管的p-n或p-i-n结的电流。在具有不同大多数载流子的纳米线的两个区段（诸如，p型芯与n型壳或反之亦然）之间调制了在径向隧穿场效晶体管中的隧穿电流。当通过热激励载流子的运输最少并且载流子运输主要受直接隧穿机制支配时获得最大隧穿运输效率。所提到的装置将着重于/加强了隧穿贡献并且限制了其它贡献，诸如热激励的载流子和在偏置条件下的扩散性运输。还可以由在源极与漏极中的载流子库之间引入的屏障来进一步提高在前述贡献之间的比例。屏障或“插塞”可包括高能带隙半导体或缓变半导体并且起到最小化垂直于从栅极施加的电场的泄漏电流的目的，栅极被定位成使得主导隧穿电流平行于由栅极施加的电场。图1A至图1C示出了根据本专利技术的一实施的TFET。纳米线优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括径向纳米线江崎二极管的装置，其中所述径向纳米线包括第一导电类型的半导体芯和不同于所述第一导电类型的第二导电类型的半导体壳。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.06 US 61/6687771.一种包括径向纳米线江崎二极管的装置，其中所述径向纳米线包括第一导电类型的半导体芯和不同于所述第一导电类型的第二导电类型的半导体壳。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括栅控径向纳米线江崎二极管。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括隧穿场效晶体管（TFET）。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，其还包括：定位于所述壳周围的栅绝缘层和邻近于所述栅绝缘层定位的栅电极。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在所述芯与所述壳之间的隧穿电流方向基本上平行于支承所述纳米线的基板的主表面。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在所述芯与所述壳之间的隧穿电流方向基本上垂直于所述栅电极的表面，所述栅电极朝向所述纳米线和所述栅绝缘层。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在所述芯与所述壳之间的隧穿电流方向基本上平行于支承所述纳米线的基板的主表面并且基本上垂直于朝向所述纳米线和所述栅绝缘层的所述栅电极的表面。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述芯与所述壳之间的隧穿电流方向基本上平行于栅电场方向。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述纳米线芯包括具有第一掺杂浓度的第一导电类型的下部半导体部和位于所述下部上的上部；
所述上部包括具有比所述下部的所述第一掺杂浓度更低和比所述壳的掺杂浓度更低的第二掺杂浓度的电绝缘材料或半导体材料；
所述芯的所述下部电接触所述第一导电类型的半导体源极区域并且所述壳电接触所述第二导电类型的漏极区域；
所述壳邻近于所述芯的所述上部定位并且至少部分地与所述芯的所述下部重叠以形成pn结；以及
所述栅电极至少部分地与所述pn结重叠。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述壳充分地薄以在所述栅绝缘层与所述芯之间形成量子阱。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述芯和所述壳中的至少一个充分地薄以增加所述装置中的电荷载流子的能量。
12.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，其还包括：位于所述芯与所述TFET的源极区域和漏极区域中至少一个之间的屏障区域。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述屏障区域材料具有比所述半导体芯材料更高的能带隙。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：
所述屏障区域材料具有比所述半导体芯材料和所述半导体壳材料更高的能带隙；
所述屏障区域包括插塞形区域，所述插塞形区域在导带与价带边缘二者处具有足够高的能带偏移以抑制泄漏电流；以及
所述屏障区域包括电绝缘材料或轻度掺杂的、本征的或半绝缘的半导体材料，其具有1016 cm-3或更低的掺杂浓度。
15.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：LE维尔纳松，E林德，J奥尔松，L萨米尔松，M比约克，C舍兰德，A迪，
申请(专利权)人：昆南诺股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE