現(xiàn)代科技綜述知識(shí)文庫(kù)：MIS隧道結(jié)器件

1、現(xiàn)代科技綜述系列MIS隧道結(jié)器件科技是人類區(qū)別于動(dòng)物的重要文明之一，是人類對(duì)自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對(duì)科技基本概念“MIS隧道結(jié)器件”的解讀，以供大家了解。MIS隧道結(jié)器件由金屬(M)、超薄(UT)絕緣體()和半導(dǎo)體襯底(S)組成的一種器件。因其絕緣層非常薄(145nm)而具有載流子隧道效應(yīng)故稱為隧道結(jié)。如以重?fù)诫s簡(jiǎn)并半導(dǎo)體(如n+多晶硅)代替其中的金屬，則構(gòu)成半導(dǎo)體(簡(jiǎn)并)絕緣體半導(dǎo)體(即SIS)隧道結(jié)。MIS隧道結(jié)和SIS隧道結(jié)統(tǒng)稱為CIS隧道結(jié)。用MIS隧道結(jié)代替常規(guī)摻雜PN結(jié)制作的器件稱為MIS隧道結(jié)器件。從學(xué)術(shù)價(jià)值方面看，對(duì)MIS隧道結(jié)的研究有助于深入了解從肖特基勢(shì)壘如何過(guò)

2、渡到厚氧化物MOS結(jié)構(gòu)，以及超薄介質(zhì)膜的隧穿效應(yīng)；從實(shí)用方面看利用MIS隧道結(jié)本身的特點(diǎn)可以研制成具有一定特色的半導(dǎo)體器件而適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需要。MIS隧道結(jié)器件的發(fā)展大體可以分成兩個(gè)階段：(1)從19731980年左右，這一階段主要是建立了MIS隧道結(jié)的物理模型、對(duì)MIS隧道結(jié)基本特性的研究和對(duì)MIS隧道結(jié)的初步開(kāi)發(fā)應(yīng)用；(2)從1980年左右到現(xiàn)在，此階段是MIS隧道結(jié)器件全面發(fā)展的時(shí)期，各種不同的MIS隧道結(jié)器件被研制成功并開(kāi)始開(kāi)發(fā)應(yīng)用。MIS隧道結(jié)因流過(guò)其超薄絕緣層中電流不同而可分成兩種。如果流過(guò)絕緣層的主要電流成分的載流子與襯底的少數(shù)載流子(如P型硅中的電子即為少數(shù)載流子)相

3、同則稱此結(jié)為少子MIS隧道結(jié)；如果與襯底的多數(shù)載流子相同則稱為多子MIS隧道結(jié)。例如AlUTsiO2pSi結(jié)為少子MIS隧道結(jié)，AuUTSiO2pSi結(jié)為多子MIS隧道結(jié)。1974年格林(MAGreen)等從MIS結(jié)構(gòu)的能帶圖出發(fā)，考慮了MIS隧道結(jié)的半導(dǎo)體區(qū)、超薄絕緣層中的隧道電流、界面陷阱對(duì)電流的貢獻(xiàn)和電壓關(guān)系4個(gè)方面，建立起一組非線性微分方程。利用計(jì)算機(jī)通過(guò)疊代技術(shù)求出其數(shù)值解，進(jìn)而求出其電流一電壓()特性和電容一電壓(CV)特性。通過(guò)計(jì)算得到兩個(gè)重要的結(jié)果：1當(dāng)絕緣層非常薄而正向偏壓較小時(shí)，少子MIS隧道結(jié)的特性與理想PN結(jié)的特性非常相似。這時(shí)，少子MIS隧道結(jié)完全可以代替摻雜PN結(jié)而

4、制作半導(dǎo)體器件。另一方面少子MIS隧道結(jié)與摻雜結(jié)相比又具有其本身的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)是：非常高的少子注入效率；結(jié)深非常淺；不存在重?fù)诫s效應(yīng)；在低溫下無(wú)載流子凍析效應(yīng)。利用這些特點(diǎn)可以研制成具有一定特色的半導(dǎo)體器件。2雖然多子MIS隧道結(jié)的特性在正反兩個(gè)方向比較對(duì)稱，然而它卻存在多子倍增效應(yīng)。例如將低功函數(shù)金屬與N型硅襯底形成的多子MIS隧道結(jié)處于反向偏置，當(dāng)界面無(wú)少子注入時(shí)，結(jié)上的電壓降主要體現(xiàn)在表面電勢(shì)Vs上，超薄氧化物上的電壓降Vox很小，半導(dǎo)體表面處的導(dǎo)帶底高于金屬中費(fèi)米能級(jí)很多，故流過(guò)層的多子(電子)隧道電流很小。但當(dāng)界面處有少子空穴注入時(shí)，空穴集聚界面形成反型層，使氧化物上電壓降Vox增

5、大，進(jìn)而使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底下降和Vs減小，這將引起多子隧道電流的增大此即MIS隧道結(jié)的多子倍增效應(yīng)。利用多子倍增效應(yīng)可制成特殊的放大器件。在完成MIS隧道的物理模型和研究了MIS隧道結(jié)的基本電學(xué)特性后，格林等隨即將少子MIS隧道結(jié)特性用于研制MIS硅太陽(yáng)電池。1913年，朱純(JShewchun)等將多子MIS隧道結(jié)的多子倍增效應(yīng)用于研制表面氧化物晶體管(SOT)，使兩種器件都取得較好的效果。在1980年以后，MIS隧道結(jié)器件得到全面發(fā)展，各種MIS隧道結(jié)器件相繼出現(xiàn)，MIS太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率也不斷提高?，F(xiàn)將主要的幾種MIS隧道結(jié)器件分別介紹如下。MIS太陽(yáng)電池 MIS太陽(yáng)電池是由一大面積的少子M

6、IS隧道結(jié)代替常規(guī)摻雜PN結(jié)構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換器件。為了使光透過(guò)，可選用透明金屬膜結(jié)構(gòu)或細(xì)柵金屬條結(jié)構(gòu)，為收集更多的光，在M層上還需沉積一層抗反射膜。與常規(guī)摻雜結(jié)電池相比，它具有工藝程序簡(jiǎn)單(無(wú)高溫工藝)、對(duì)紫光響應(yīng)強(qiáng)、適宜多晶材料、轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。1984年，格林等研制的MIS太陽(yáng)電池首先將效率提到高于18%。MIS隧道結(jié)發(fā)射極晶體管 也稱為MIS異質(zhì)結(jié)發(fā)射極晶體管，它是用少子MIS隧道結(jié)代替常規(guī)PN結(jié)作為發(fā)射極的雙極晶體管，器件的集電結(jié)仍由擴(kuò)散結(jié)擔(dān)任。MIS隧道結(jié)發(fā)射極晶體管從結(jié)構(gòu)上可分成臺(tái)面型、平面型兩種，從功能上可分成超高電流增益型和超低hFE溫度系數(shù)型兩種。超高電流增益型在設(shè)計(jì)時(shí)充分發(fā)

7、揮了少子MIS隧道結(jié)少子注入效率非常高的特點(diǎn)，1986年，法希(MFarshi)，郭維廉用這種結(jié)構(gòu)研制出電流增益hFE達(dá)到3萬(wàn)的雙極晶體管，超低hFE溫度系數(shù)型設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了此結(jié)無(wú)重?fù)诫s效應(yīng)的特點(diǎn)，曾研制出從55100，hFE溫度系數(shù)為128%的晶體管。橫向MIS隧道結(jié)晶體管 此種器件是一種發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都由MIS隧道結(jié)構(gòu)成的橫向雙極晶體管，基區(qū)由襯底構(gòu)成。因其工作原理的不同又分為成多子倍增型和少子注入型兩種。在少子注入型中，發(fā)射結(jié)注入至基區(qū)中的電子沿橫向擴(kuò)散到加反偏的集電結(jié)完成放大作用。1989年，郭維廉等所研制的此種器件最高的hFE達(dá)到842，而且具有數(shù)值很小的負(fù)hFE溫度系數(shù)。在多子倍

8、增型(N型襯底)中發(fā)射結(jié)向集電結(jié)注入少子空穴，空穴達(dá)到反向偏置的集電結(jié)時(shí)，通過(guò)前邊所述的多子倍增效應(yīng)使通過(guò)電極的多子(電子)電流增大而起放大作用，hFE可達(dá)到22。MIS隧道結(jié)源漏MOS晶體管 由少子MIS隧道結(jié)代替摻雜結(jié)作為源和漏制成的MOS晶體管。1986年，由法希等首次研制成功。除了具有常規(guī)MOS管的電學(xué)特性外，還由于其結(jié)深非常淺(約為002m)而具有很強(qiáng)的抗短溝道效應(yīng)的能力。MIS隧道結(jié)雙極反型溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管 也稱為BICFET，它是由西蒙(JGSimmons)等于1985年提出而由法希等于1986年首次研制的。其結(jié)構(gòu)和工作原理類似于多子倍增型橫向MIS隧道結(jié)晶體管，所不同的是在BI

9、CFET中用一個(gè)擴(kuò)散P+N結(jié)來(lái)代替多子倍增型MIS橫向晶體管中的MIS隧道發(fā)射結(jié)向集電結(jié)注入少子空穴。從另一個(gè)不同的角度看，它相當(dāng)于一個(gè)以p型反型層作為基區(qū)的縱向NpN型雙極管。由于其基區(qū)極薄故預(yù)計(jì)有極高的頻率響應(yīng)和電流增益，但目前研制結(jié)果和理論預(yù)計(jì)相差很遠(yuǎn)。MIS隧道結(jié)開(kāi)關(guān)器件 1977年，由西蒙等人提出，其結(jié)構(gòu)為MUTInSip+Si。即一個(gè)n型襯底多子MIS隧道結(jié)與一個(gè)nP+摻雜結(jié)組合而成，它具有電流開(kāi)關(guān)型(即“S”型)負(fù)阻特性。與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)器件相比，它具有很高的開(kāi)關(guān)速度、與典型的IC工藝相容、可實(shí)現(xiàn)光注入和電注入兩種注入模式等特點(diǎn)。MIS隧道結(jié)氫敏器件 是金屬鈀(Pd)、超薄SiO2與

10、n型Si襯底組成的一種少子MIS隧道結(jié)。氫氣被Pd吸附后，擴(kuò)散到PdUTSiO2的界面改變了Pd的功函數(shù)進(jìn)而改變流過(guò)結(jié)的電流以檢測(cè)氫氣的含量。例如1981年，由羅茲(PFRuths)等研制的氫敏器件，對(duì)154ppm的氫可使反向隧道電流改變3個(gè)數(shù)量級(jí)，因而它是一種高靈敏度的氫敏器件。MIS隧道結(jié)器件的長(zhǎng)期使用壽命是早期被人們關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。但經(jīng)郭維廉等于1988年測(cè)得結(jié)果證實(shí)：AlTiUTSiO2p-Si結(jié)的發(fā)射極晶體管，如果結(jié)溫80，則其失效中位壽命可達(dá)到300a，何況實(shí)際結(jié)溫一般都低于80，故其長(zhǎng)期使用不會(huì)成為問(wèn)題。綜上所述，MIS隧道結(jié)器件發(fā)揮其固有的特點(diǎn)，在某幾個(gè)方面形成具有一定特色的半

11、導(dǎo)體器件，以彌補(bǔ)常規(guī)器件這些領(lǐng)域的不足。MIS隧道結(jié)器件目前尚有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：(1)少子MIS隧道結(jié)，由于其反型層極薄，故結(jié)的串聯(lián)電阻較大。應(yīng)進(jìn)一步研究設(shè)法盡量減小其串聯(lián)電阻；(2)通過(guò)改變UTI材料進(jìn)一步改善和延長(zhǎng)其使用壽命；(3)利用MIS隧道結(jié)研制和開(kāi)發(fā)新的MIS隧道結(jié)器件，擴(kuò)展MIS隧道結(jié)的應(yīng)用前景?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】： 1 Green M A,et al. Solid -State Electronics,1974,17:551 2 Simmons J G,et al. Solid-State Electronics, 1977,20:955 961 3 Ruths P F,et al. IEEE Trans. Electron Devices, 1985, 28: 10031009 4 Farshi M, Guo W L, Green M A. IEEE Electron Device Letters, 1986,7:632 5 Farshi M, et a