电路元件制造技术

本发明专利技术涉及电气元件，其电导以２ｅ＋［２］／ｈ为单位而量子化地变化，其实现办法是配备多维载流子气，后者备有压缩宽度的部分，该部分的宽度的量级是费密波长，而其长度小于平均自由程。由于压缩宽度部分的宽度很小，其能级被细分，因此，能级间隔的温度可与ｋＴ相比较，通过缩颈的电荷输运是由量子力学效应确定的。由于所述载流子气，例如ＧａＡｓ—ＡｌＧａＡｓ异质结附近的电子气的原因，该元件可用于例如分压器。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电路元件，该元件包括层或层结构，其中形成多维载流子气以及通过沟道运输载流子来互相联系的两个区域。术语“多维载流子气”是三维或二维气体。例如，二维载流子气位于具有较高能隙的掺杂半导体层与具有较低能隙的本征半导体层之间的异质结附近;在能量方面，本征半导体材料的导带边缘处在比掺杂半导体材料的低的能级。由于在具有较低能隙的半导体材料中形成最低能级，所以，在离结很近处产生一层很薄的电子云，也就是实际上的二维云，它是由在异质结附近有较高能隙的材料中电子的输运而产生的。由于与其产生地施主离子的空间间隔，云中的电子有非常高的迁移率。在开头一节中提到的此类元件具有HEMT(高电子迁移率晶体管)形式，Nishizawa“半导体工艺学”(Tokyo，1982P258-271)公开了这种元件。高电子迁移率晶体管本质上是场效应晶体管，其中，传导发生在实际上的二维电子气中。由于电子气中迁移率提高，HEMT可以达到很高的开关速度。这种晶体管一般工作在电子气没完全被简并的温度下。HEMT的尺寸和通用晶体管一样。实际上，所有电路上用的元件(下文简称为电气元件)其电性能将有所差别。这些差别可能由制备过程中的不一致而引起。结果，制成的产品的电性能与设计目标或多或少有些差别。此外，很多电子元件在工作期间经历老化过程之中，其电性能也因此而发生变化。此外，差别可以随元件使用环境的不同而有变化，例如环境温度的变化。例如，多数材料的电阻率的温度系数不为零，由于这个原因，很多元件或多或少对温度敏感。本专利技术的目的是提供一种电气元件，其电性能至少基本上不因制备过程的差异及其环境而零散，尤其不因环境温度而零散。开头一节中提到的根据本专利技术的这种元件，其特征在于沟道长度小于载流子气中载流子的平均自由程，以及沟道宽度与载流子费密能级的波长同一量级，结果，在载流子气至少基本上完全被简并的温度下，出现了沟道电导值的量子化。下文中除非另外指明，元件电导(即，电阻的倒数)应理解为沟道的电导。实验记录意外地表明在根据本专利技术的元件中穿过沟道的电导是阶梯形的，其阶梯高度仅依赖于通用自然常数。制备过程中的公差及环境温度的变化基本上对阶梯高度没影响。可以认为，在上述的尺寸的情况下，电性质主要由量子力学效应所确定，因此，通过沟道从一区到另一区载流子气的输运仅可能借助于量子化的电导而发生。电导的阶跃高度与元件的特殊构形及组分无关，并且与其环境参数无关，例如，其环境温度。这里应当指出，对开头一节中所述类型的元件进行了测量，在所测量的元件中，沟道的宽度可与根据本专利技术的沟道的宽度相比较，但是，其长度超过载流子的平均自由程。在这些测量中未出现上述现象。可以认为，这是由于沟道中的散射造成的。此外，在长沟道的情况下，其宽度很难保持不变，这也可能抑制上述效应。将沟道作得短些，上述两种效应也不经常出现。反过来讲，估计沟道可能必须具有适当长度，以便有效地影响载流子。因此，沟道长度最好选得与费密波长同量级。本专利技术将用几个实施例与示意图详细地描述。在这些附图中附图说明图1a及1b分别表示本专利技术第一实施例的平面图及通过线ⅠB-ⅠB的剖面图;图2是在第一实施例中电子气区域的线Ⅱ-Ⅱ上所取的剖面图;图3a及3b分别表示元件电阻及电导为加到栅极上电压的函数;图4及5是不同的沟道宽度的二维k空间费密园显示图;图6a及6b分别表示本专利技术第二实施例的平面图及通过线ⅥB-ⅥB的剖面图;图7a及7b分别表示本专利技术第三实施例的平面图及通过线ⅦB-ⅦB的剖面图;图8及9分别表示本专利技术第四实施例的平面图及通过线Ⅸ-Ⅸ的剖面图;图10及11表示本专利技术的元件在惠斯顿电桥中的应用。这些图是示意的，因而，不是按比例划的。为了清楚起见，有些尺寸被夸大了。对应部分一般用相同的标号标明。图1a及b表示本专利技术元件的第一实施例。该元件包含半绝缘体GaAs的半导体衬底。在该衬底上形成呈台式结构2形状的层结构。该层结构包括由第一类半导体材料构成的未掺杂半导体层3(在本实施例中是约1μm厚的本征GaAs层)以及在层3上形成的由第二类半导体材料构成的掺杂半导体层4(在本实施例中是约60nm厚的掺以硅杂质的AlxGa1-xAs层)。比值X约为0.35，硅的比密度约为1018ions/cm2。层4比层3有较大的能隙。在层3与4的分界面5上形成实际上的二维电子气6。如果需要，层4可在整个厚度上掺以硅离子。但是，在本实施例中，层4由厚度约50nm掺杂的第一子层4A以及与层3相接的厚度约10nm的不含硅离子的第二子层4B所构成。层4B的作用是减小硅离子对电子气6的迁移率的影响。当然，层4也可以包含受主而不是施主，其结果是形成空穴气而不是电子气。通常(例如在HEMT中)，为了使层4钝化而在其上涂敷约10nm厚度的GaAs层7。台式结构2备有两个电引线8，9，用来在电子气6中通电流。该引线由金，锗，镍合金制成。在本实施本中，引线8与9的距离约200μm，这个量级比约10μm的平均自由程要大。元件总电阻为沟道电阻加引线8，9的接触电阻及源区与漏区18与19的串连电阻。实际上，可以完全消除所述接触电阻，其方法是给该元件提供另外两根引线16，17，在引线8，9之间通以电流的情况下，在引线16，17之间进行基本上无电流的测量。此外，当引线16及17的距离小于载流子气中载流子的平均自由程时，所述串联电阻可被消除，因此，实际上只有沟道电阻可被测出。在台式结构2上设置用金制成的栅极10，它在面对面的两点11及12之间备有开口13。在本实施例中，点11与12之间的距离是大约250nm。需要指出的是，在该图中，要不是开口13实际上具有大约100nm的有限长度，点11，12就是纯的点。这样，所述长度具有费密波长，即42nm的数量级，这大概是所预期的最佳结果。栅极10与下垫GaAs层构成整流肖特基结。当栅极10加以负压时，其下面的台式结构2被耗尽。当负压足够大时，栅极10下面的电子气6被推得更远些。已经发现，这发生于相关元件处在约-0.6V的电压时。这意味着在这种电压(或更低些)下，引线8与9的传导只可能通过开口13下面的耗尽区中的末耗尽沟道来进行。图2是栅极电压低于-0.6V时台式结构2在电子气6区域的剖面图。图中，虚线表示栅极在该剖面图平面上的垂直投影。栅极10下面的耗尽区14A及14B确定沟道15的范围。电子气6的两个区域18及19分别被引线8及9连接，并且，通过沟道15互相联系。沟道15有宽度W及长度l。为了使用该元件，将元件冷却到例如约1.4K，使电子气至少基本上处于完全简并状态。通过改变栅极10的电压来调制耗尽区14A及14B，其后果是宽度w可被控制。测量表明(测量时，栅极电压从-0.6v连续降到-2v)，沟道电导按阶梯形减低。图3a表示沟道电阻R随着加到栅极10上电压而变化。电阻及电压分别以kΩ及v为单位绘制在坐标系上。图上表明，当栅极电压约从-2v到-1v增加时，电阻阶梯式地减小。这条曲线另外表示于图3b中，图中画出沟道电导∑相对于加到栅极上的电压V的曲线。电导以2e2/h为单位划在竖坐标上;式中，e是基本电荷，而h是普朗克常数。图中表示，随着栅极电压的增加电导按具有高度2e2/h的等阶梯上升。所以，阶梯高度决定于通用自然常数e及h，而不依本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电路元件包括层结构中的一层，在该层中形成多维载流子气，并且，在该层中有两个区域，它们通过沟道输运载流子而互相联系，其特征在于：沟道长度小于载流子气中载流子的平均自由程，以及沟道宽度与载流子在费密能级上的波长同量级，其后果为，在载流子气至少基本上处于完全被简并状态的温度下，出现沟道电导值的量子化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】NL 1987-12-23 87031191.一种电路元件包括层结构中的一层，在该层中形成多维载流子气，并且，在该层中有两个区域，它们通过沟道输运载流子而互相联系，其特征在于沟道长度小于载流子气中载流子的平均自由程，以及沟道宽度与载流子在费密能级上的波长同量级，其后果为，在载流子气至少基本上处于完全被简并状态的温度下，出现沟道电导值的量子化。2.如权利要求1所要求的元件，其特征在于沟道长度也具有与载流子在费密能级的波长相同的量级。3.如权利要求1，3所要求的元件，其特征在于在沟道两端形成电引线，这些电引线之间的距离小于载流子的平均自由程。4.如权利要求1，2或3所要求的元件，其特征在于存在一种装置，在载流子气至少基本上被完全简并的温度下，借助于该装置可以使比值W/λF从1/2变到1/2的倍数，W是沟道宽度而λF是载流子在费密能级的波长。5.如权利要求4所要求的元件，其特征在于载流子气密度可用所述装置调整。6.如权利要求4或5所要求的元件，其特征在于其沟道宽度可用所述装置控制。7.如权利要求6所要求的元件，其特征在于所述装置包括栅极，借助该栅极可以使沟道至少从一侧耗尽，并且，沟道宽度可通过调制耗尽区来控制。8.如权利要求7所要求的元件，其特征在于所述栅极备有开口，该开口限定沟道的宽度。9.如权利要求8所要求的元件，其特征在于所述栅极备有面对面的两点，以及所述开口位于这两点之间。10.如权利要求7，8或9所要求的元件，其特征在于所述层或层结构包含半导体材料，以及所述栅极是肖特基型电极。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨德里克范豪敦，巴特简范韦斯，
申请(专利权)人：菲利浦光灯制造公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]