專利名稱：納米電子器件和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米電子二極管器件和電路已知的制造微米尺度的集成電路的技術(shù)，通常采用多個步驟，它包括用擴(kuò)散和注入疊加和對準(zhǔn)不同形狀和圖形，如在光刻技術(shù)中；然而，這些技術(shù)在制造極小的納米尺度的電路時遇到了困難。采用現(xiàn)有的最好技術(shù)，微處理器中的補(bǔ)償式金屬-氧化物半導(dǎo)體(CMOS)場效應(yīng)晶體管具有已經(jīng)接近100nm的門長度(gate length)。為了繼續(xù)使半導(dǎo)體器件小型化，工業(yè)在制造、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上面臨著巨大的挑戰(zhàn)。未來的集成電路一定是建立在一種新概念基礎(chǔ)上的帶有納米器件的集成電路。
在一個襯底上生成納米尺度電路特征(features)的技術(shù)包括X-射線和電子束光刻。在US-A-5772905中公開了一種特殊技術(shù)，即所謂的納米刻印工藝，其中將由電子束光刻所形成的、具有極小凸起的模版壓進(jìn)襯底上的塑料聚合物層內(nèi)，以便在該層內(nèi)相應(yīng)于模版凸起的部位處形成凹陷。然后，執(zhí)行刻蝕工藝以將凹陷部位的襯底曝光，隨后可以執(zhí)行刻蝕或沉積工藝，以確定集成電路的特征。然而，US-A-5772905沒有公開一個完整的集成電路，也沒有公開制作完整電路的方法。
EP-A-0464834公開的是用絕緣溝槽的幾何圖形法在AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中形成的晶體管。一個600nm寬的一維溝道和2DES部位在水平方向上被700nm寬的深臺面刻蝕的溝槽絕緣，該2DES部位提供晶體管的門。ID溝道內(nèi)的電阻率與加在溝道兩端的門電壓成嚴(yán)格的線性關(guān)系。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明的至少一個最佳形式，我們發(fā)現(xiàn)布置兩個絕緣特征彼此接近以確定一個寬度為納米量級的窄的細(xì)長溝道，來以一個預(yù)定的方式提供一電路元件，其中流經(jīng)該溝道的電流是加在溝道長度兩端電壓的函數(shù)。在一個最佳實施例中，該電路元件包括一個二極管，但也可以，例如，包括一個晶體管或電阻。
本發(fā)明提供的電路元件包括，支撐移動電荷載流子的襯底，在該襯底表面上形成的絕緣特征，以在絕緣特征的任何一側(cè)上確定第一和第二襯底區(qū)域，絕緣特征包括位置彼此接近但間隔開的第一區(qū)和第二區(qū)，以便形成一細(xì)長溝道，該細(xì)長溝道在襯底內(nèi)從第一區(qū)域到第二區(qū)域流動提供了一電荷載流子移動路徑。
其中，所述細(xì)長溝道的尺寸和排列使得電荷載流子移動路徑的參數(shù)取決于所述第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的勢差。
為了說明的目的，“電路元件”意思是提供預(yù)期的電路功能的集成電路的一部分或元件，如晶體管，電容器，二極管或邏輯門。
在電路元件是非線性器件如一個二極管的地方，有必要在電荷載流子的移動路徑中破壞反轉(zhuǎn)對稱性。因此，絕緣區(qū)是這樣的所施加的電壓以不同的方式工作，取決于其極性，以開通或關(guān)閉溝道，這將在下面更為詳細(xì)地描述。這產(chǎn)生了高度的不對稱的電流-電壓特性，這與普通二極管差不多或比普通二極管更好。
為了說明的目的，“絕緣”被理解為，和襯底的傳導(dǎo)性比較而言的一個相對值。在一個實施例中，形成絕緣勢壘的溝槽可以是微弱導(dǎo)電的，形成非常窄的導(dǎo)電溝道。在一些情況下，可取的是，在不施加電壓時有一點兒導(dǎo)電，這樣可以提供非常靈敏的探測或極弱信號的混合，即使存在有一些漏電流。
在一個優(yōu)選實施例中，絕緣特征被制作成將襯底分隔為第一和第二區(qū)域的溝槽或線。以一角度延伸到分隔線處的更多的溝槽或線限定溝道，而且延伸進(jìn)第一區(qū)域和第二區(qū)域中的一個。電壓可以用適當(dāng)?shù)碾娊佑|加到第一區(qū)域和第二區(qū)域上，且在絕緣分隔線兩端形成一電壓差。溝道限定線的外側(cè)易受所述區(qū)域中其電壓的作用。當(dāng)溝道兩端的電壓足夠高時，電場產(chǎn)生了一個不存在電荷載流子的耗盡區(qū)。如果溝道足夠窄并且足夠長，那么就可獲得一個很好的間隙的關(guān)或夾斷(pinch off)，這樣無電流或至少非常小電流是可能的。因此一個二極管作用被形成。當(dāng)電壓沿正向施加時，電壓除了使溝道勢能降低外，還能使溝道靜電地加寬，這就使得載流子更容易沿正向流動。
溝道的寬度最好是30納米量級。最大的寬度通常是100納米，而溝道的最窄寬度可減小到接近零。如果，例如，凹槽刻蝕后生長過度，那么刻蝕線附近的耗盡層就要小很多，這樣所設(shè)計的溝道寬度會小很多。溝道的長度也是器件運(yùn)行的決定因素，而且為了實現(xiàn)二極管作用，對于襯底材料為InGaAs/InP時溝道的長度必須至少達(dá)到100nm的量級，而最大的長度可以為幾個微米或更多。長度在很大程度上取決于襯底的材料和電路元件要實現(xiàn)的目的。因此本發(fā)明用一個非常簡單的結(jié)構(gòu)提供一個很好的二極管作用。由于沒有產(chǎn)生少數(shù)載流子的P-N結(jié)存在，所以二極管的電特性非常明顯，以致于在夾斷時不會產(chǎn)生反轉(zhuǎn)電流。
在一個變更方案中，溝道的一側(cè)可以受到存在于襯底的鄰近區(qū)域中的的控制或調(diào)制電壓的作用。這調(diào)制電流流經(jīng)該溝道，從而形成了一個晶體管器件。
所述襯底可以產(chǎn)生二維電子氣；可選地，它可以具有一些其他想要的特性?？蛇x擇任何想要的襯底材料，如硅或體鍺硅材料。根據(jù)目前所能提供的，現(xiàn)使用InGaAs/InP材料。
雖然本發(fā)明的器件主要是用于電子的目的，但是它也可以應(yīng)用于光學(xué)元件。例如，在由兩個限定一個窄的細(xì)長的溝道的絕緣勢壘形成一個二極管器件的情況下，當(dāng)溝道差不多夾斷或幾乎關(guān)的狀態(tài)時，二極管對光照很敏感，即絕緣勢壘附近的耗盡層會減小很多。結(jié)果是，甚至是一束微弱的光也會使在某一偏壓下的電流增加幾個量級。這可以直接應(yīng)用于光探測器或光開關(guān)。
按照本發(fā)明，二極管也可以用作光電二極管，光由雪崩效應(yīng)產(chǎn)生。其中電子由價帶產(chǎn)生，同時產(chǎn)生一個空穴。產(chǎn)生的空穴和電子復(fù)合從而產(chǎn)生光。
在另一個實施例中，所述器件的溝道的電學(xué)和光學(xué)參數(shù)可能會對吸收在器件表面上的某一種類的少量分子、甚至是單個分子很敏感，因此所述器件可以用作這樣的分子的傳感器。
按照本發(fā)明，采用基本上一個制作步驟或至少非常少的工藝步驟來制作納米尺度的集成電路是可能的，所有的步驟都是為了形成特征的單一圖形。可以采用制作刻蝕器件的任何適用的方法，包括電子束光刻和上面提到的納米刻印法。這和制作集成電路的現(xiàn)有工藝比較，要大大簡化了，現(xiàn)有工藝所用的多步法包括疊加和對準(zhǔn)不同線條和圖形多個步驟。盡管如此，本發(fā)明可以結(jié)合形成包括多電路元件的大面積的門的后續(xù)步驟，而不破壞制作工藝的必要的簡單性。
附圖的簡單描述現(xiàn)參照附圖，結(jié)合例子描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中附圖為

圖1A-1E為包含一個二極管的本發(fā)明第一實施例的示意圖及一掃描電鏡像；圖2-6為圖1中所示的二極管器件的實驗的電流-電壓特性的圖表，但是隨著特性的變化，給出了不同的工作特性；圖7是圖1二極管的幾種變更形狀的示意圖；圖8A-8B是包括一個橋式整流器的本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例；圖9A-9C是包括一個OR門的的本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例；圖10A-10C是包括一個AND電路的本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例；圖11A-11B是包括一個具有可調(diào)節(jié)閾值的二極管型的器件的本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，所述的二極管型的器件也可以用作一個晶體管型器件圖12是本發(fā)明的負(fù)微分電阻(NDR)的特性曲線；圖13是采用圖12的器件的一個GHz振蕩器的示意電路圖；圖14和15是結(jié)合有掃描矩陣的圖16的實施例的示意圖；圖16是包括一個光電二極管的本發(fā)明的另一個實施例的示意圖。
優(yōu)選實施例的描述微電子的行程圖(roadmap)早已表明，我們將很快達(dá)到傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的極限，不久的將來的集成電路必須是建立在新概念基礎(chǔ)上的納米器件。而且，非?？扇〉氖牵@些新的納米器件能制作在標(biāo)準(zhǔn)的硅片上。盡管努力使納米器件在室溫下工作，但是成效甚微。原因是，所建議的大多數(shù)的納米器件至今仍然要求大約幾個納米的特征尺寸。
本發(fā)明包括二極管型器件。類二極管器件的電流-電壓特性就像傳統(tǒng)的二極管，但是閾值電壓(從0V到幾伏)和電流級別(從nA到μA)都可以通過簡單地改變器件的幾何形狀而調(diào)制幾個量級，并不需要通過摻雜、擴(kuò)散等改變基質(zhì)材料(host material)的特性。優(yōu)于一個pn二極管的是，在反向偏壓下的這種二極管的漏電流低得可以忽略不計。三端器件可提供晶體管及二極管的功能，意味著在電路制作中有很大的靈活性。當(dāng)所述器件在改進(jìn)的設(shè)計中被用作三端器件時，所述器件會表現(xiàn)出晶體管和二極管的功能，這意味著其在電路制作中具有更大的靈活性。
雖然所述器件現(xiàn)在是制作在InGaAs/InP材料上，但是所述器件也能可靠地和可重復(fù)地制作在硅片上，因為工作原理不取決于高的電子遷移率。正如下面將要表明的，全部的邏輯門族(a full family of logicgates)，如或，與和非，能夠僅僅通過在襯底上簡單地刻蝕凹槽就能制作。因此，本發(fā)明將大大簡化二極管型器件以及集成電路的制造，因此極大的降低了產(chǎn)品成本。
現(xiàn)參看圖1，圖1A和1E是一個二極管型器件的掃描電鏡(scanning electron microscope)(SEM)像。電極4，6位于InGaAs/InP襯底2的左側(cè)和右側(cè)，中間的絕緣線8(這里是刻蝕溝槽)將襯底分為左區(qū)和右區(qū)10，12。刻蝕的溝槽寬度約為100nm。為制作該器件，我們首先在InGaAs/InP襯底上涂(spin)一層電子束抗蝕劑(ZEP-520)，其包含在表面下大約50納米的導(dǎo)電層(移動電子)。然后利用電子束光刻得到所設(shè)計的圖形?？刮g劑經(jīng)過電子束曝光后，進(jìn)行顯影，然后，采用濕法化學(xué)刻蝕(wet chemincal etching)形成約100nm深的溝槽，即刻蝕穿過導(dǎo)電層從而形成了絕緣線。
在線8的中心處，形成了兩個線區(qū)16，18，它們從線8延伸到襯底區(qū)12上。線16和18垂直于線8的長度方向，其長度約為500nm。因此，所刻蝕的溝槽不僅確定了一個僅延伸到區(qū)域12的窄溝道，而且破壞了沿溝道電流方向的反轉(zhuǎn)對稱性。細(xì)長溝道20寬度約50nm，其為襯底中的遷移電子從襯底的左側(cè)10移動到右側(cè)12或以相反方向移動，提供了電子移動路徑。
在對端子4，6不施加電壓的條件下，在溝道20內(nèi)將存在耗盡區(qū)22，如圖1B，耗盡區(qū)22鄰近線區(qū)16和18，這樣，僅僅一個很窄的電流路徑可用于電子導(dǎo)電。這些耗盡區(qū)是由于刻蝕表面的表面態(tài)和費(fèi)米能級形成的。這些耗盡區(qū)被顯示為表明它們在通過溝道的電子輸運(yùn)上所起的作用。如圖1C所示，當(dāng)在端子6上施加正電壓，在端子4上施加負(fù)電壓時，在線區(qū)16，18的外側(cè)存在正電壓，這樣，通過靜電地降低溝道內(nèi)的勢壘，使得耗盡層的尺寸減小。在這種情況下，電子導(dǎo)電，從而電流會很大。
在圖1D中，當(dāng)將電壓電極反轉(zhuǎn)時，使得正電壓施加在端子4上，負(fù)電壓施加在端子6上，存在于線區(qū)16，18外側(cè)的負(fù)電壓使得溝道內(nèi)的勢能靜電地提高。這產(chǎn)生一個窄得多的溝道或者甚至一個整個夾斷的溝道。在后一種情況中，考慮到溝道的很長的長度，載流子不能從一端穿入到另一端。因此，和相反電壓極性不同，只有一點兒或甚至沒有電流流經(jīng)溝道，這意味著形成了類二極管功能，如圖1E所示。
而且，在沒有pn結(jié)產(chǎn)生時，少數(shù)載流子的數(shù)量可以忽略。因此，在反向偏壓的情況下，漏電流會非常小，實驗上觀察其小到pA以下。
圖2-6為圖1所示的二極管型器件的實驗的電流-電壓特性的圖表，但隨著二極管特性的變化給出了不同的工作特性。圖2為類似于圖1的器件的特性(但溝道長度為700nm，寬度為40nm)?？梢钥吹?，端子4，6間形成高于0.9V的電壓時，通過溝道20的電流增加得非常迅速，以致于在電壓為2v時，有約6微安的電流。在低于0.9v時，觀察不到電流。這些特性是在4.2°K的溫度時給出的。
在圖3中，調(diào)整細(xì)長溝道20的尺寸(溝道長度為1000nm，寬度為50nm)，以致于閾值電壓降到了0.02V以下，即非常接近于0。
在圖4中，所示器件具有的溝道長度與圖3中的一致。所示的特征曲線是室溫下測得的。一條不是很好的特征曲線被給出，顯示了在反向偏壓時具有一點兒電流的情況，其中的電流可以通過優(yōu)化，如稍稍減小溝道寬度等，減小到零。在下面的圖10B和10C中，這種不是很好的特征曲線在一些邏輯電路中是可取的。
參考圖5，調(diào)整溝道尺寸(寬20n，長70nm)以便具有約2V的大的正向閾值電壓。這個曲線在室溫下測得。
在圖6中，具有圖3中的溝道尺寸的器件的特征曲線是在240°K時測得的。閾值電壓正好為0V，在反向偏壓的條件下沒有電流。該特征曲線接近理想二極管，沒有明顯的漏電流，具有零閾值電壓。
現(xiàn)在參看圖7，這顯示了確定溝道20的線區(qū)16，18的幾何形狀的變化。在圖7A中，線16，18從線8開始，向內(nèi)傾斜變細(xì)，以致于溝道20的寬度在線16，18的自由端處最小。這樣可以很好的控制電流。
在圖7B中，線區(qū)16，18以相反方向變細(xì)，以致于細(xì)長溝道20的寬度在緊鄰線8處最小，在線16，18的自由端處最大。
在圖7C中，線區(qū)16，18呈城堡狀，以致于溝道20的寬度在線16，18彼此接近處的小值a與線16，18彼此遠(yuǎn)離區(qū)域中的大值b之間變化。這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生非線性量子輸運(yùn)效應(yīng)。
在圖7D中，線區(qū)16，18從線8開始彼此相對向外彎曲，直到達(dá)到最大間距m，由此線向內(nèi)回彎到寬度d以等于在區(qū)8處的寬度d。這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生非線性量子輸運(yùn)效應(yīng)。在全部的圖7中，溝道的寬度沒有明顯超過100nm。
現(xiàn)參看圖8A到8B，本發(fā)明的第二實施例包括一個橋式整流器，如圖8A中所示意出的，一個變化的電壓加在端子40，41兩端，在端子44，46得到單極整流電壓。
這個橋式整流器的執(zhí)行過程如圖8B所示，其中一個InGaAs/InP襯底被分成基本上四個區(qū)域50，52，54，56。這些區(qū)域被絕緣線分開，線60具有由線區(qū)68，66所限定的細(xì)長溝道62，64，使區(qū)域50與52，54互相連接。絕緣線70將區(qū)域52和54完全分開。絕緣線80具有限定細(xì)長溝道86和88的線區(qū)82和84，它們允許電流在區(qū)域56和區(qū)域52，54之間流動。端子40，42分別連接到區(qū)域52，54，使得在這些區(qū)域存在交變電壓。端子46連接到區(qū)域50而端子44連接到56。
因此，在端子40上施加有正相位、在端子42上施加有負(fù)相位的操作中，電流受到激勵經(jīng)過溝道62，而被禁止通過溝道64。由于在區(qū)域56的電壓相對于存在于區(qū)域52中的正電壓將為負(fù)，所以溝道86將被耗盡。然而，由于區(qū)域56內(nèi)的電壓相對于存在于區(qū)域54中的大的負(fù)電壓將為正，所以溝道84卻將被開通。因此，電流將能通過溝道62從區(qū)域52到達(dá)區(qū)域60，從而在端子46處產(chǎn)生正電壓。電流將能通過溝道84從區(qū)域56到達(dá)區(qū)域54，從而導(dǎo)致在端子44處從而產(chǎn)生負(fù)電壓。
當(dāng)端子40，42處的極性反轉(zhuǎn)時，負(fù)電壓被施加到區(qū)域52，同時正電壓施加到區(qū)域54，然后以與上述方式類似的方式，溝道64將被開通以在區(qū)54和50間產(chǎn)生電流，從而在端子46處產(chǎn)生一個正電壓。溝道86將被開通以使區(qū)域52和56之間有電流流動，從而在端子44處產(chǎn)生一個負(fù)電壓。因此形成了全波整流器作用。
因此，由絕緣線所限定的溝道62對應(yīng)于圖8A中左上角的二極管。類似地，溝道86對應(yīng)于右上方的二極管，溝道64對應(yīng)于左下方的二極管，溝道84對應(yīng)于圖8A中右下方的二極管。因此僅僅通過絕緣線的制作，橋式整流電路就形成了。這表明本發(fā)明基本上簡化了器件和電路的設(shè)計和制作，從而極大的減少了產(chǎn)品成本。
現(xiàn)參看圖9，一個OR門僅通過在導(dǎo)電電路上絕緣線的制作就被實現(xiàn)。圖9B是一個等效電路。在圖9C中，一個OR門裝置的實現(xiàn)是通過將襯底分為三個區(qū)域100，102，104，每個區(qū)域有各自的端子106，108，110。襯底區(qū)由絕緣線112，114所形成，而細(xì)長的電流路徑溝道116，118由絕緣線區(qū)120和122在區(qū)域100和102間及區(qū)域104和102之間產(chǎn)生。
當(dāng)正電壓加在端子106和110的任一端時，相應(yīng)的電流溝道116，118將被開通使得電流流動，正電壓被傳到輸出到端子108。當(dāng)負(fù)電壓加在端子106，110上的情況下，電壓不能通過溝道116，118傳輸，從而端子108處的輸出電壓將保持很低。很明顯，圖9C中的溝道116對應(yīng)于圖9B中的上部的二極管，而溝道118對應(yīng)于另一個二極管。當(dāng)一個正電壓加到端子106和110的任一端時，相應(yīng)的溝道116，118將被開通使得電流通過，正電壓被傳輸?shù)捷敵龆俗?08。在一個邏輯低電壓加到端子106和110上的情況下，在端子108上的輸出將保持很低。
現(xiàn)參看圖10A，提供一個AND門裝置。圖10B顯示一等效電路。在圖10C中，通過將襯底分為四個區(qū)域152-158而形成一AND門，其中每個區(qū)域具有各自的電極162-168。襯底區(qū)域通過絕緣線170-176而形成，而且細(xì)長的電流路徑溝道180-184被形成，以限定二極管。注意，溝道180要比溝道182和184稍寬，使得溝道180產(chǎn)生的特征曲線和圖4中在低偏壓下有一定電導(dǎo)的特征曲線類似，而溝道182和184產(chǎn)生的特征曲線和5中的類似。最好地，是產(chǎn)生如圖6中的理想的特征曲線。在工作中，一正的電源電壓(rail voltage)加到端子162。當(dāng)邏輯高電壓加到端子164，166上時，二極管182，184是反向偏置的，正的電源電壓通過溝道180傳輸?shù)捷敵鲭姌O168上。當(dāng)任一輸入電極164，166上具有所施加的邏輯低電壓時，由于二極管180是反向偏置的并且有很大電阻，所以相應(yīng)的二極管變成正向偏置的并且其上僅有一點兒壓降。結(jié)果是，輸出端處的電壓將是一個邏輯低信號。因此，與功能被形成。這個電路可以使用NDR，正如下面參考圖12B所描述的，用于達(dá)到零電流。
現(xiàn)參看圖11A，顯示有一個三端晶體管器件。設(shè)計是基于圖1B設(shè)計的基礎(chǔ)，而且類似的路徑由相同的附圖標(biāo)記表示。
絕緣線8將襯底分為左區(qū)10和右區(qū)12，它們分別有各自的觸點200，202。垂直延伸到線8的絕緣線16，18限定了一個在區(qū)域10和12之間延伸的窄溝道206。另外，為了限定另一個襯底區(qū)域14，另一條絕緣線212從線16的自由端平行延伸到線8。該區(qū)域還有另一個觸點204。因此，一個附加絕緣線212限定了一個側(cè)門路區(qū)(side gateregion)204。側(cè)門端子204類似于常規(guī)的場效應(yīng)晶體管(FET)的門。在一給定的施加到所述側(cè)門上的電壓，在端子200和202之間的測量結(jié)果仍然顯示出一類二極管的特性曲線。然而，通過改變側(cè)門上的電壓，二極管(端子200和202之間)的閾值電壓被調(diào)節(jié)。因此，所述器件可以被看作具有可調(diào)制閾值電壓的二極管，這在圖11B中能用符號表示。
由于導(dǎo)電性，從而溝道206的電流能通過在側(cè)門上施加一電壓而被大幅調(diào)節(jié)，所述器件也具有場效應(yīng)晶體管的功能。這使得例如全部邏輯門，包括NOT，NAND，NOR，XOR門等的設(shè)計高效率且低功耗。通過在輸出端子204上的電壓反轉(zhuǎn)會產(chǎn)生NOT或反轉(zhuǎn)功能。一個二極管元件和晶體管元件的結(jié)合為邏輯電路提供緩沖元件，且實現(xiàn)級連以形成更大的電路。實際上，這些器件和門本質(zhì)上是NMOS，和現(xiàn)在用的CMOS相反，因此具有低功耗。
參看圖12，顯示的是對于一定尺寸的溝道(這里長1微米，寬50納米)的情況，室溫時在反向偏置條件下顯出一明顯的負(fù)微分電阻(NDR)特性曲線。換句話說，在一定電壓范圍內(nèi)，所施加的電壓的增加會導(dǎo)致一減小的電流。NDR器件被廣泛應(yīng)用作高速電子振蕩器中的核心元件。振蕩器的速度可以是數(shù)百GHz，甚至THz。
圖13為基于一NDR器件的振蕩電路。圖1中所示的形式的二極管130平行地和一電容器132和電感134連接。電壓源136提供電源。振蕩的信號在負(fù)載138和該二極管的兩端產(chǎn)生。當(dāng)振蕩器以高頻工作時，所產(chǎn)生的微波可以直接從所述器件的表面直接輻射出去。這工作在VHF，UHF以及GHz段是有用的，一個這樣的例子是用于光電子領(lǐng)域的40GHz的開關(guān)。
參看圖16，示意性地顯示有形成本發(fā)明的另一實施例的一個光電二極管160，與圖1中相似的部分用相同的附圖標(biāo)記表示。光電二極管利用雪崩效應(yīng)，即在反向偏置的條件下發(fā)生，其中從價帶產(chǎn)生電子并留下空穴。所產(chǎn)生的空穴和電子復(fù)合，同時產(chǎn)生光。當(dāng)電場非常局部化時，通常就會發(fā)生雪崩效應(yīng)，而二極管在溝道自由端沿溝道方向產(chǎn)生一個局部的電場。區(qū)域162中的場強(qiáng)足夠大，使得離開價帶的電子和其他電子碰撞，迫使這些電子也離開價帶；空穴經(jīng)歷類似的過程；從而產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。
圖14是一個元件矩陣的示意圖，每個元件包括一個如圖16所示的光電二極管。光電二極管由行地址線144和列地址線146編址。這產(chǎn)生了一個隨機(jī)訪問的光發(fā)射源陣列，它具有易于制造、便宜及易于集成的優(yōu)點，非常大的陣列是實用的。而缺點是可能較低的光產(chǎn)生率，在這不是一個大問題而產(chǎn)品成本或集成密度是主要問題的情況下，這是一個實用的選擇。圖14的優(yōu)點是單個光電二極管、及單個行和列地址線容易識別。
圖15是圖14更實用一些的版本，其中每個光電二極管160的電連接是用地址線144，146集成在一起的。因此，每個光電二極管元件有絕緣溝道150，向有關(guān)的列地址線146延伸，以經(jīng)過襯底區(qū)152對其提供電連接。每個光電二極管元件有絕緣溝道154，向相連的行地址線144延伸，以經(jīng)過襯底區(qū)156對其提供電連接。
在圖14和15中，地址線可以是金屬的或半導(dǎo)體材料的，和每個二極管的襯底2的材料一樣。
由于上面所討論的每個器件因為窄的溝道和表面對溝道旁側(cè)的主導(dǎo)地位而對光都是很敏感的，所以這樣的一個陣列對于具有高空間分辨率的光方向還是有用的。而且當(dāng)當(dāng)浸入溶液中時，它可以用來探測空間分布，如分子濃度的空間分布。
考慮到上面的例子，本發(fā)明的器件和電路從器件、材料、及電路的觀點來看都具有許多明顯的優(yōu)點。
器件的觀點和傳統(tǒng)的二極管相比較，新器件概念有很多明顯的優(yōu)點，如簡單制作器件只是通過寫線(或溝槽)，如圖1a中所示，便宜只需一個制作步驟，不需要多模版對準(zhǔn)，因此適用于，如納米刻印技術(shù)，可重復(fù)制造器件的特征尺寸能夠被設(shè)計得大于30nm或50nm，因此它能夠被重復(fù)而可靠地制作。
以后10年或20年的好的器件/特征尺寸器件的特征尺寸在10到100nm之間，器件的尺寸從50nm到1000nm。因此，它符合“關(guān)于半導(dǎo)體的國際技術(shù)路線圖”所預(yù)言的下一代邏輯集成電路的需要。
材料的觀點由于工作原則并不要求高電子遷移率，因此SSDs可以很容易做到標(biāo)準(zhǔn)的硅片或其他材料上，如Ge，GaAs，InP，InAs。
電路的觀點用一個步驟制作電路上面所述顯示了一些這樣的例子，其中黑線是，例如，刻蝕的溝槽，包括a)橋式整流器，其中通過將一交流電壓施加到較上和較下的端子上，在左和右側(cè)端子之間會產(chǎn)生一個直流電壓，b)邏輯OR，其中如果左邊的兩個輸入端子中的任何一個上加有一邏輯高壓，那么輸出將是一邏輯高輸出。在這兩種情況下，器件以及電路僅在一個制作步驟中通過寫/刻蝕線來制作的，而不是通過要求精確對準(zhǔn)的多步法中的摻雜或門控等，來制作。
完整的邏輯族其他邏輯元件如AND和NOT也被設(shè)計過。因此，一個新的、完整的邏輯元件族能夠被制作?；谶@些基本的邏輯制作模塊，理論上本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以實現(xiàn)全部功能的、硅基的、邏輯電路，如加法器。另一個值得注意的優(yōu)點是，邏輯電壓級易于調(diào)節(jié)以滿足，例如，標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電路的級別。
極低的發(fā)熱和功耗器件使用納米溝道，因此電流低。實驗中，我們可以簡單地通過改變溝道寬度，將電流水平調(diào)到遠(yuǎn)小于nA。預(yù)計在2014年，一個典型的微處理器中將包括4×109個邏輯元件。甚至用我們現(xiàn)在的原始器件，總功耗小于10W，低于預(yù)期/要求值183W很多。
權(quán)利要求
1.一種電路元件，包括支持移動電荷載流子的襯底，在該襯底表面上形成的絕緣特征，用以限定在絕緣特征兩側(cè)的第一和第二襯底區(qū)域，該絕緣器件包括第一和第二區(qū)，它們的位置彼此接近但間隔開以便形成一個細(xì)長的溝道，該溝道提供了一條在襯底中從第一區(qū)到第二區(qū)的電荷載流子流動路徑，以及其中，所述的細(xì)長溝道的尺寸及排列使得該載流子流動路徑的參數(shù)取決于所述第一區(qū)和第二區(qū)的勢差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的元件，其中所述的電路元件包括一個二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2元件，其中所述的細(xì)長溝道的長度至少約為100納米。
4.根據(jù)前面所述權(quán)利要求中的任何一個的元件，其中的細(xì)長溝道的寬度小于500納米，最好小于100納米，而且最好約為30到50納米。
5.根據(jù)前面所述權(quán)利要求中的任何一個的元件，其中的絕緣特征由分隔所述第一襯底區(qū)和第二襯底區(qū)的第一條絕緣線和以一定角度延伸到第一條絕緣線并且限定所述的細(xì)長溝道的第二條絕緣線所確定。
6.根據(jù)前面所述權(quán)利要求中的任何一個的元件，其中的細(xì)長溝道只延長到僅第一和第二襯底區(qū)中的一個，使得所述的第一和第二區(qū)受到存在于所述的那個區(qū)域的電壓的作用。
7.一種全波整流電路，其中，一襯底被絕緣線至少分隔為四個區(qū)域，每個區(qū)域有各自的電子終端，而且為了形成用于提供一個全波整流作用的二極管，細(xì)長溝道被選擇地形成在所述四個區(qū)域之間的所述絕緣線內(nèi)，其中每個二極管如權(quán)利要求2中所述。
8.一個OR門，其中襯底被絕緣線分為至少三個區(qū)，第一個區(qū)提供第一個輸入端，第二區(qū)提供第二輸入端，第三個區(qū)提供一個輸出端；在所述的第一區(qū)和第三區(qū)之間形成第一細(xì)長溝道，在第二區(qū)和第三區(qū)之間形成第二個細(xì)長溝道，每個溝道提供根據(jù)權(quán)利要求2的一個二極管，由此，使得在適當(dāng)?shù)碾妷菏┘拥捷斎攵藭r在各區(qū)之間的有電流流動，由此，在輸出端獲得一個反映OR特性的輸出電壓。
9.一個AND門，其中一襯底由絕緣線被分為至少第一，第二和第三三個區(qū)，第一區(qū)提供第一輸入端，第二區(qū)提供第二輸入端，第三區(qū)提供一個輸出端；在第一區(qū)和第三區(qū)之間形成第一細(xì)長溝道，在第二區(qū)和第三區(qū)之間形成第二細(xì)長溝道，每個溝道提供根據(jù)權(quán)利要求2的一個二極管；由此，使得在適當(dāng)?shù)碾妷菏┘拥剿龅谝惠斎攵撕偷诙斎攵藭r在各區(qū)之間的有電流流動，由此，在輸出端獲得一個反映AND特性的輸出電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路，包括第四襯底區(qū)，該第四襯底區(qū)用作電壓電源并且通過溝道與所述第三區(qū)連接，提供根據(jù)權(quán)利要求1的一個元件，并用作一電阻器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2的元件，其中的細(xì)長溝道具有負(fù)微分電阻特性。
12.一振蕩電路，包括一個或多個電抗元件，以及一個根據(jù)權(quán)利要求11的元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的元件，形成一光電二極管，其中所述的溝道的尺寸使得形成一個區(qū)，其中雪崩效應(yīng)在電壓作用下產(chǎn)生，以致于產(chǎn)生光。
14.一光發(fā)射的矩陣陣列，包括行和列地址線，其中該矩陣的每個元素是一根據(jù)權(quán)利要求13的一個光電二極管。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的元件，它的排列使得當(dāng)受到光或溶液中的各種分子形式作用時，產(chǎn)生一可探測的電流。
16.一光探測矩陣陣列，包括行和列的地址線，每個矩陣的元素是一個根據(jù)權(quán)利要求15的器件。
全文摘要
具有更好的和可預(yù)設(shè)的特性的、納米級的二極管器件，包括在一導(dǎo)電襯底中的蝕刻的絕緣線(8，16，18)，以限定所述線之間的電荷載流子流動路徑，形成至少100nm長且寬小于100nm的細(xì)長溝道(20)。所述二極管的電流－電壓特性類似于傳統(tǒng)的二極管，但閾值電壓(從0V到幾伏)與電流級別(從nA到μA)都可以通過改變器件幾何形狀而被調(diào)節(jié)幾個量級。標(biāo)準(zhǔn)的硅片可以用作襯底。全部邏輯門，如OR，AND，及NOT，可以基于該器件僅僅通過在所述襯底上簡單地蝕刻絕緣線來制作。
文檔編號H01L29/06GK1669144SQ02808508
公開日2005年9月14日 申請日期2002年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者艾曼·桑, 佩爾·奧姆凌 申請人:Btg國際有限公司