專利名稱：納米線圍柵裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及基于納米線的半導(dǎo)體裝置，具體來說，涉及要求相對于帶 隙、載荷子類型及濃度、鐵磁性質(zhì)等的調(diào)整性質(zhì)的基于納米線的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體裝置直到最近都基于平面技術(shù)，它在適當(dāng)材料的小型化和選擇方面施加限 制，下面進一步描述。納米技術(shù)的發(fā)展、具體來說生產(chǎn)納米線的新興能力已經(jīng)開發(fā)用于設(shè)計 具有改進性質(zhì)的半導(dǎo)體裝置并且制作采用平面技術(shù)不可能制作的新裝置的新可能性。這類 半導(dǎo)體裝置可獲益于某些納米線特定性質(zhì)、2D、ID或OD量子限制、因較小晶格匹配限制引 起的軸向材料變化的靈活性、天線性質(zhì)、彈道輸運、波導(dǎo)性質(zhì)等。但是，為了由納米線制造例如場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和傳感器 等半導(dǎo)體裝置，在納米線中形成摻雜區(qū)的能力至關(guān)重要。在考慮基本Pn結(jié)時會理解這個方 面，基本pn結(jié)是一種作為若干半導(dǎo)體裝置的關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)建電壓通過形成彼此 相鄰的P摻雜和η摻雜區(qū)來獲得。在基于納米線的半導(dǎo)體裝置中，來提供沿納米線的長度 的pn結(jié)通過形成不同成分和/或摻雜的縱長段。沿納米線對帶隙的這種調(diào)整例如也可用 于通過使用不同帶隙和/或摻雜等級的縱長段來減小基于納米線的場效應(yīng)晶體管的源柵 和柵漏接觸電阻。通常，通過使用包括具有不同帶隙的不同半導(dǎo)體材料的縱長段的異質(zhì)結(jié) 構(gòu)來改變帶隙。另外，摻雜物的摻雜等級和類型在納米線的生長期間或之后可沿長度改變。 在生長期間，可在汽相中引入摻雜物，并且在生長之后，可通過擴散將摻雜物結(jié)合到納米線 中，或者可通過來自周圍層的所謂調(diào)節(jié)摻雜(modulation doping)來影響載荷子濃度。在US 5362972中公開一種圍柵場效應(yīng)晶體管。圍柵場效應(yīng)晶體管包括一種納 米線，其中一部分由柵極圍繞或環(huán)繞。納米線充當(dāng)晶體管的電流通道，并且由柵極所生成 的電場用于晶體管動作，即，控制載荷子沿電流通道的流動。從國際申請W02008/034850 會理解，通過摻雜納米線η溝道、P溝道，可形成增強或耗盡型的晶體管。在國際申請 W02006/135336中，還將異質(zhì)結(jié)構(gòu)段引入圍柵場效應(yīng)晶體管的納米線，以便改進例如電流控 制、閾值電壓控制和電流通/斷比等性質(zhì)。納米線的摻雜因若干因素而成為難題。例如，可能禁止將摻雜物物理結(jié)合到 晶體納米線中，并且從某種摻雜物濃度所得到的載荷子濃度可能比從對應(yīng)塊狀半導(dǎo)體 材料(bulk semiconductor material)的摻雜所預(yù)期的要低。對于使用例如所謂的 VLS (汽-液-固)機制從催化粒子所生長的納米線，催化粒子中摻雜物的可溶性和擴散也 將影響摻雜物結(jié)合。一般來說，一種具有與納米線的相似長期結(jié)果的相關(guān)效果是納米線中 的摻雜物到表面?zhèn)鹊耐鈹U散。這種效果通過納米線的高表面容積比得到增強。減小載流子 儲存容積(the volume of the carrier reservoir)的表面耗盡效果也將因納米線的高表 面容積比而增加。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況，本發(fā)明的一個目的是提供包括納米線的半導(dǎo)體裝置相對于與納 米線的摻雜相關(guān)的性質(zhì)的改進。這通過獨立權(quán)利要求中定義的半導(dǎo)體裝置和方法來實現(xiàn)。在本發(fā)明的第一方面，提供一種包括至少第一半導(dǎo)體納米線的半導(dǎo)體裝置。納米 線具有第一導(dǎo)電類型的第一縱長區(qū)、第二導(dǎo)電類型的第二縱長區(qū)以及設(shè)置在所述第一區(qū)的 至少第一圍柵電極。所述圍柵電極適合于當(dāng)將電壓施加到第一圍柵電極時改變至少與第一 縱長區(qū)關(guān)聯(lián)的納米線的第一部分中的載荷子濃度。第二縱長區(qū)可沿納米線的長度與第一縱長區(qū)依次設(shè)置，或者設(shè)置在電連接到第一 納米線的第二納米線中。附加圍柵可設(shè)置在第二縱長區(qū)或其它區(qū)，以便沿納米線的長度改 變載荷子濃度。半導(dǎo)體裝置的第一納米線可包括形成徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的核心和至少第一殼層，其可 用于產(chǎn)生光。在本發(fā)明的一個實施例中，半導(dǎo)體裝置適合作為熱電元件進行工作。在本發(fā)明的第二方面，提供一種包括其中包含鐵磁材料的納米線的半導(dǎo)體裝置， 以便使半導(dǎo)體裝置作為例如存儲器裝置進行工作。這通過下列步驟來獲得將電壓施加到 設(shè)置在納米線的區(qū)的圍柵電極，以改變載荷子濃度，使得鐵磁材料的鐵磁性質(zhì)發(fā)生變化。由于本發(fā)明，取代常規(guī)摻雜或者避免半導(dǎo)體裝置以及特別是具有局部選通和反轉(zhuǎn) 的基于納米線的半導(dǎo)體裝置的實質(zhì)摻雜是可能的。作為舉例，這允許形成改進pn結(jié)，而沒 有像常規(guī)裝置那樣的耗盡區(qū)中的空間電荷，以及可調(diào)半導(dǎo)體裝置、例如波長可調(diào)LED (發(fā)光 二極管)。在從屬權(quán)利要求中定義本發(fā)明的實施例。通過以下結(jié)合附圖和權(quán)利要求來考慮對 本發(fā)明的詳細描述，本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點和新特征將變得明顯。


現(xiàn)在將參照附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖包括圖la-b是根據(jù)本發(fā)明、具有用于改變納米線的傳導(dǎo)性的圍柵電極的納米線的示 意圖示；圖2a_b是根據(jù)本發(fā)明、具有用于形成人工pn結(jié)的雙圍柵的納米線的示意圖示；圖3a_i是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中圍柵電極的激活效果的示意圖示；圖4a_c是根據(jù)本發(fā)明、耗盡納米線到包括人工pn結(jié)的納米線的轉(zhuǎn)換的示意圖；圖5a_b是根據(jù)本發(fā)明、包括多個量子阱的納米線的示意圖示；圖6是根據(jù)本發(fā)明、包括徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米線的示意圖示和來自激勵這種結(jié)構(gòu) 的PL圖；以及圖7a_b是根據(jù)本發(fā)明的熱電元件的示意圖示。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例基于包括所謂納米線的納米結(jié)構(gòu)。為了便于本申請，納米線將被 解釋為其寬度和直徑具有納米尺寸，并且通常具有提供一維性質(zhì)的延長形狀。這類結(jié)構(gòu)通常 又稱作納米晶須、納米棒、納米管、一維納米元件等等。美國專利No. 7335908中描述的通過粒子輔助生長或者所謂VLS(汽-液-固)機制在襯底上的納米線形成的基本過程以及不同 類型的化學(xué)束外延和汽相外延方法是眾所周知的。但是，本發(fā)明并不局限于這類納米線也 不局限于VLS過程。用于生長納米線的其它適當(dāng)方法是本領(lǐng)域已知的，并且例如在國際申請 NO.W02007/104781中示出。由此可見，納米線可在沒有將粒子用作催化劑的情況下生長。因此，還包括選擇性生長的納米線和納米結(jié)構(gòu)、蝕刻結(jié)構(gòu)、其它納米線以及由納米 線所制作的結(jié)構(gòu)。納米線沿其長度不一定是同質(zhì)的。納米尺寸不僅允許不是與納米線材料晶格匹配 的襯底上的生長，而且還可在納米線中提供異質(zhì)結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)構(gòu)由與納米線的相鄰部分不 同構(gòu)成的半導(dǎo)體材料的段組成。異質(zhì)結(jié)構(gòu)段的材料可具有不同的成分和/或摻雜。異質(zhì)結(jié) 可以是突變的(abrupt)或者是有梯度的。本發(fā)明基于圍柵電極用于控制用作半導(dǎo)體裝置中的運輸溝道的納米線的至少一 部分的載荷子濃度，以便調(diào)節(jié)納米線的性質(zhì)。參照圖la，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置包括形成半導(dǎo)體裝置的運輸溝道的至少第一 半導(dǎo)體納米線105、第一縱長區(qū)121、第二導(dǎo)電類型的第二縱長區(qū)122以及設(shè)置在第一納米 線105的第一縱長區(qū)121以便在將電壓施加到第一圍柵電極111時改變與第一縱長區(qū)121 關(guān)聯(lián)的納米線的至少一部分中的載荷子濃度的至少第一圍柵電極111。第一圍柵電極111 包圍納米線105的至少一部分，它們之間具有介電材料(未示出)。這種選通的效果取決于所施加的電壓以及半導(dǎo)體裝置、特別是第一柵電極111和 納米線105的具體設(shè)計，但是，例如，它可引起整個第一縱長區(qū)中的載荷子濃度的變化?？?使載荷子濃度的變化達到納米線的一部分的載荷子類型發(fā)生變化的程度。這允許不同“人 工”裝置、例如人工pn節(jié)的形成。載荷子濃度的變化也可用于改變納米線的鐵磁性質(zhì)。下 面詳細進行對本發(fā)明的該一般描述。載荷子類型通常稱作ρ型或η型。為了便于本申請，載荷子類型又可以是本征的， 即i型。P型材料具有作為多數(shù)載荷子的空穴，η型材料具有作為多數(shù)載荷子的電子，而本 征型材料是沒有明顯多數(shù)載荷子濃度的材料。因此，本征型材料可具有作為載荷子的電子 或空穴，但是處于使得傳導(dǎo)性是由于材料的其它性質(zhì)而不是這些載荷子引起的低濃度。如上所述，納米線105就成分和摻雜而論可以是同質(zhì)的，或者納米線例如通過沿 納米線形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)可經(jīng)過帶隙工程。圖Ib示意示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半導(dǎo)體 裝置，其中包括從襯底104沿正交方向生長的第一非同質(zhì)納米線105。第一圍柵電極111從 襯底沿納米線的一部分延伸，并且包圍納米線105的第一縱長區(qū)121，它們之間具有介電材 料104。納米線105形成運輸溝道，它通過納米線105的一個端部中的頂觸點以及納米線 105的另一端中的襯底104電連接。第一納米線105包括至少一個量子阱115，其可采取由 第一圍柵電極111和第一縱長區(qū)121中的量子點的各側(cè)的一個寬帶隙勢壘段所包圍的量子 點的形式。第一縱長區(qū)121和第二縱長區(qū)122可以是相同或不同的導(dǎo)電類型，此外，導(dǎo)電性質(zhì) 可通過將電壓施加到一個或多個圍柵電極來改變。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，半導(dǎo)體 裝置包括同質(zhì)η摻雜的至少第一納米線105，其中第二縱長區(qū)122沿納米線121的長度與第 一縱長區(qū)121依次設(shè)置。第一圍柵電極111設(shè)置在第一納米線105的第一縱長區(qū)121，以改 變載荷子濃度，使得第一區(qū)121在將預(yù)定電壓施加到第一圍柵電極111時成為ρ型區(qū)。相應(yīng)地，有源地形成pn結(jié)。通過在縱長區(qū)設(shè)置多個圍柵電極，可在多個縱長區(qū)中改變載荷子濃度。參照圖2a， 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半導(dǎo)體裝置包括至少第一納米線105。第一納米線105具有設(shè) 置在第一納米線105的第一縱長區(qū)121的第一圍柵電極111以及設(shè)置在第一納米線105的 第二縱長區(qū)122的第二圍柵電極112。各圍柵電極適合在將電壓施加到圍柵電極111、112 時改變所述第一納米線105的對應(yīng)區(qū)121、122的載荷子濃度。圖2b示意示出這種雙柵納 米線105，其中圍柵電極被激活，使得第一和第二縱長區(qū)的載荷子濃度在第一縱長區(qū)121中 從原始本征改變成ρ型，而在第二縱長區(qū)122中改變成η型，由此在第一縱長區(qū)121與第二 縱長區(qū)122之間的界面116處形成pn或pin結(jié)114。通過改變所施加的電壓，可改變pn結(jié) 的性質(zhì)、例如通過P型區(qū)與η型區(qū)之間的耗盡區(qū)的寬度和位置或者P型與η型區(qū)的寬度所 定義的性質(zhì)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，可使區(qū)121、122的任一個成為ρ型或η型，并且也可 從最初η型或ρ型納米線來形成人工pn結(jié)。
因此，第一和第二區(qū)121、122中一個或多個區(qū)的載荷子濃度的變化可用于在縱長 區(qū)之間的界面116處形成結(jié)114。這個結(jié)在圍柵電極121、122的激活之前在第一納米線105 中實際上不存在，或者已經(jīng)存在于無源狀態(tài)的不同導(dǎo)電類型的區(qū)之間的結(jié)可沿納米線的長 度移動。這種結(jié)在下文中稱作人工結(jié)，或者在具有P型和η型的相鄰區(qū)的特定情況下稱作 人工pn結(jié)。雖然通過每個納米線具有一個或兩個圍柵結(jié)構(gòu)的實施例的示例示出本發(fā)明，但 是每個納米線具有三個或更多圍柵結(jié)構(gòu)當(dāng)然是可想到的。多個圍柵電極可沿納米線設(shè)置在 不同位置，以便沿納米線的長度調(diào)整載荷子濃度和/或類型。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)將電壓施加到圍繞第一縱長區(qū)121的第一圍柵電極111時，與第一縱 長區(qū)121關(guān)聯(lián)的納米線105的一部分101改變載荷子濃度。類似地，當(dāng)將電壓施加到分別 圍繞第二縱長區(qū)121和第三縱長區(qū)113的第二或第三圍柵電極111時，納米線105的部分 102、103改變載荷子濃度。所施加電壓的量值確定所述部分的延伸以及是否改變導(dǎo)電類型。 圖3a-i示意示出具有不同圍柵電極和導(dǎo)電類型配置的本發(fā)明的實施例。雖然以所施加電 壓比較低并且已經(jīng)改變導(dǎo)電類型的部分僅部分延伸到納米線或相鄰區(qū)中時的有源狀態(tài)示 出實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，在較高電壓電平，所述部分將具有較大延伸，即，納米線將在預(yù)定 電壓電平對整個寬度和整個區(qū)改變導(dǎo)電類型。僅在某個電壓電平才形成縱長結(jié)。以下提供 圖3a-i的每個的簡述。圖3a中，第一和第二縱長區(qū)121、122是ρ型，而在將電壓(電位) 施加到設(shè)置在所述第一區(qū)121的第一圍柵電極111時，所述第一區(qū)的至少一部分轉(zhuǎn)變成η 型。因此，pn結(jié)最終在所述第一與第二區(qū)121、122之間形成。圖3b中，分別由第一和第二 圍柵電極111、112對第一和第二區(qū)121、122進行選通。納米線至少在所述區(qū)中是本征的，并 且通過將電壓施加到圍柵電極111、112，第一區(qū)的至少一部分成為η型，而第二區(qū)的至少一 部分成為P型，由此最終形成第一與第二區(qū)之間的人工pn結(jié)。圖3c中的納米線包括η型 區(qū)123和ρ型區(qū)，它們之間具有本征區(qū)。通過將電壓施加到圍柵電極的一個或多個、圍繞各 區(qū)的一個圍柵電極，本征區(qū)121與相鄰區(qū)122、123之間的界面可移動。圖3d中，納米線包 括第一區(qū)121中的ρ型材料以及第二區(qū)122中的η型材料。通過操作根據(jù)圖3a的裝置，可 刪除第一與第二區(qū)之間的pn結(jié)。圖3e與圖3a相同，但具有本征區(qū)121、122。圖3e中，第 一區(qū)121為ρ型，而第二區(qū)122為η型，但通過將電壓施加到設(shè)置在各區(qū)121、122的圍柵電 極，載荷子類型可改變，即，Pn結(jié)成為np結(jié)。圖3f-g與圖3c相似，但是其中不同的電壓施加到圍柵電極或者有源的圍柵電極的不同配置。圖3i示意示出可如何移動ρ型區(qū)與η型 區(qū)之間的界面。一個或多個圍柵的激活提供局部迫使帶隙沿一個方向或另一個方向的可能性。通 過使兩個相鄰圍柵電極迫使帶隙沿不同方向，可實現(xiàn)人工ρη結(jié)。這使得可能取代納米線的 常規(guī)摻雜。作為舉例，這允許形成改進的ρη結(jié)，而沒有像常規(guī)裝置中那樣的耗盡區(qū)中的空 間電荷。如上所述，本發(fā)明的納米線可以是例如未摻雜(本征)或者僅P或η摻雜，這簡化 了納米線半導(dǎo)體裝置的制造。納米線相對于摻雜可以是同質(zhì)的，但是并不局限于此。這開 發(fā)新的可能性，例如使用具有真正一維特性的更薄納米線的可能性。本發(fā)明允許包括其中運輸由電子和/或空穴沿納米線攜帶的區(qū)的不同質(zhì)感應(yīng)的 半導(dǎo)體裝置的構(gòu)成，其中，例如，納米線的一半將為電子傳導(dǎo)，而另一半為空穴傳導(dǎo)，因而有 效提供沿納米線的長度的可調(diào)人工ρη結(jié)。本發(fā)明的一個優(yōu)點在于，原則上，使用對于其從 柵極區(qū)提供載流子的未摻雜納米線。這允許半導(dǎo)體裝置、例如整流器和發(fā)光二極管，它們密 切 基于納米線所提供的獨特機會。雖然以上描述單Pn結(jié)，但是表現(xiàn)為η和ρ區(qū)的區(qū)的其它 種類的組合將是可能的，例如柵感應(yīng)η-ρ-η雙極晶體管配置。圖4a示意示出根據(jù)圖2b在不同情況下耗盡的標稱未摻雜(60nm直徑)GaAs納米 線105的局部轉(zhuǎn)換，其中，當(dāng)將電壓施加到圍柵電極111、112時，將最接近(ρ型)襯底104 的第一區(qū)121轉(zhuǎn)換成ρ型傳導(dǎo)性，而將最接近納米線的η型終端的第二區(qū)122轉(zhuǎn)換成η型傳 導(dǎo)性。這些圍柵電極111、112可以是其間具有公共電壓源的一個電路的一部分，由此可移 動所轉(zhuǎn)換區(qū)之間的界面。對于柵極上的零電位，納米線105耗盡，而對于兩個柵極111、112 上的+/_3V，n和ρ摻雜特性相似。通過襯底與η型終端之間的施加偏壓，這將作為人工ρη 結(jié)進行操作，作為舉例用作納米LED。在本發(fā)明的一個實施例中，半導(dǎo)體裝置是作為具有至 少兩個圍柵電極的這種LED起作用的，允許LED的重組區(qū)沿納米線的長度移動，例如以便得 到具有沿納米線的長度的梯度成分的波長可調(diào)LED。梯度成分沿納米線的長度可包括不同 成分的段。沿納米線的長度的變化尺寸、即直徑可單獨或者與變化成分結(jié)合使用，以便實現(xiàn) 可調(diào)LED。圖4b示意示出具有所施加偏壓情況下的特性，而圖4c示出在OV偏壓和1. 3V偏 壓的電子和空穴的空間分布。參照圖5a_b，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的一個實施例包括具有沿其長度分布的一 系列量子阱115的第一納米線105。一個或多個圍柵電極沿納米線的長度設(shè)置在不同位置， 這允許重組區(qū)的調(diào)諧，以對于量子阱的任一個產(chǎn)生光，以便生成具有由量子阱的成分所確 定的預(yù)定波長的光。這樣，納米線LED裝置中的離散波長之間的交換是可想到的。從多個 納米線所發(fā)出的光的波長也可組合成具有更寬的頻譜。圖5a示出在第一與第二圍柵電極 之間的位置中具有不同成分的兩個量子阱的納米線105。通過改變施加到第一和第二圍柵 電極111、112的電壓，可改變將載荷子類型從本征改變成ρ型或η型的納米線105的部分 的延伸的延伸。由此，重組區(qū)可移動到量子阱的任一個。圖5b示出另一個實施例，其中僅 包括設(shè)置在第一縱長區(qū)121的、在無源狀態(tài)中具有本征導(dǎo)電類型的第一柵極111。在第二縱 長區(qū)122中，納米線是ρ型。重組區(qū)可在第一與第二區(qū)121、122之間的不同成分的兩個量 子阱之間移動。如上所述，納米線的摻雜成為難題。具體來說，氮基III-V半導(dǎo)體的摻雜、例如GaN的Mg摻雜成為難題。由這種材料制成的半導(dǎo)體裝置、例如納米線LED的性能可通過使用圍 柵來增加在重組區(qū)的空穴的濃度得到改進。參照圖6，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的一個實施例包括其中包含納米線核心207 的至少第一納米線205以及外延設(shè)置于核心207并且至少部分圍繞納米線核心207的至少 第一殼層208，從而提供徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)。至少第一圍柵電極211設(shè)置在納米線205的第一區(qū) 221。在本發(fā)明的一個實施例中，核心以及在圍繞核心的第一殼層中限定的一個或多個 量子阱均進行傳導(dǎo)，其中在殼層中的載流子濃度由第一圍柵控制。在這個實施例的一種實現(xiàn)中，核心和殼層均適合于通過圍柵電極的激活成為電子 傳導(dǎo)。在這個實施例的另一種實現(xiàn)中，通過圍柵電極的激活，核心適合于作為η傳導(dǎo)，而殼 適合于作為P傳導(dǎo)。在這個實施例的又一種實現(xiàn)中，載荷子類型是可調(diào)的。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的一個實施例包括具有GaAs核心和AlGaAs殼層的納米 線。這種核殼結(jié)構(gòu)允許形成空間間接激勵、即其中電子和空穴徑向分離的機會。來自GaAs/ AlGaAs核殼結(jié)構(gòu)的核心和殼層中的激子重組的PL的研究如圖4所示。參照圖7a_b，在本發(fā)明的一個實施例中，半導(dǎo)體裝置是熱電元件。圍柵控制納米線 305使室溫?zé)犭娭惺褂帽景l(fā)明的熱元件成為可能。一般來說，基于納米線的技術(shù)被認為是熱 電材料的極有前途的候選者，其中具有超過傳統(tǒng)冷卻和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率。但 是，該領(lǐng)域的一個難題是需要具有同樣良好性能特征的P和η型納米線來形成熱電偶。通常 由于在典型III/V材料中對電子比對空穴實質(zhì)更高的遷移率而考慮η型裝置。在這個實施 例中，圍柵感應(yīng)載流子傳導(dǎo)用于從原本相同的納米線來定義P和η型納米線305、306，并且 對它們進行調(diào)諧，使得其性能匹配，因而優(yōu)化所得熱電元件、例如熱電偶或珀爾帖元件的性 能。在這個實施例的一種實現(xiàn)中，操作具有η和ρ區(qū)的棋盤形圖案(checkerboard pattern) 的整個晶圓，以便提供加熱/冷卻的熱電效應(yīng)。在其中半導(dǎo)體裝置是作為熱電元件起作用的本發(fā)明的另一個實施例中，半導(dǎo)體裝 置包括上述徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即，具有η型核心307和ρ型殼層308的納米線；以及至少第一 圍柵電極311，圍繞納米線305的第一區(qū)321，共同形成單納米線珀爾帖元件。雖然極大數(shù) 量的這種納米珀爾帖元件的陣列可用于冷卻或發(fā)電，但是單個這種元件也可表示極有效的 納米點冷卻器。本發(fā)明的一個實施例與自旋電子學(xué)相關(guān)。在這個實施例中，圍柵感應(yīng)載流子調(diào)節(jié) 用于形成和操縱稀釋地摻雜的磁半導(dǎo)體的鐵磁性質(zhì)。已知的是，自由載流子、即自由空穴作 為中間媒介并且引起大多數(shù)情況下是濃度高達％級的Mn雜質(zhì)的磁雜質(zhì)之間的自旋耦合。 到目前為止，引起鐵磁特性的這種載流子作為中間媒介的自旋耦合很難控制，因為空穴濃 度與Mn摻雜濃度密切相關(guān)。通過以本發(fā)明上述方式設(shè)置圍繞包括所述磁半導(dǎo)體的納米線 的一個或多個圍柵，使用圍柵感應(yīng)載流子調(diào)節(jié)單獨調(diào)諧自由載流子濃度是可能的。在這個實施例的一種實現(xiàn)中，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置包括Mn摻雜III-V納米線 的密集陣列，對其使用外部柵極來開啟和關(guān)閉鐵磁性。這個裝置可用于磁存儲。通過例如 以行和列來設(shè)置納米線，易于對單納米線尋址。與常規(guī)存儲介質(zhì)相比，由納米線的一維性質(zhì) 和二維陣列排列所確定的各向異性提高在較高溫度的性能。與為了創(chuàng)建上述人工結(jié)以及為 可調(diào)LED提供多個區(qū)而進行的納米線的選通相似，一個納米線的多個區(qū)的鐵磁性質(zhì)可由沿納米線的長度所設(shè)置的多個圍柵來控制。用于形成和操縱鐵磁性質(zhì)的圍柵感應(yīng)載流子調(diào)節(jié) 的基本結(jié)構(gòu)由圖Ia和圖2a最佳示出。納米線的載荷子濃度經(jīng)過局部控制，不是為了改變 載荷子類型，而是使得鐵磁性質(zhì)改變。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中的納米線可具有比現(xiàn)有技術(shù)中使用的更小的直徑。現(xiàn) 有技術(shù)半導(dǎo)體裝置中的納米線的直徑通常超過30nm，往往在30-50nm的范圍之內(nèi)。本發(fā)明 允許使用直徑小于30nm、優(yōu)選地小于20nm、更優(yōu)選在10-20nm的范圍之內(nèi)的納米線。這是 可能的，因為使用本質(zhì)未摻雜納米線的載荷子濃度和/或類型的調(diào)節(jié)。但是，本發(fā)明并不局 限于同質(zhì)納米線，可使用沿其長度具有梯度或可變成分的納米線。此外，可使用徑向異質(zhì)結(jié) 構(gòu)，如上所述。本發(fā)明使包括載流子反轉(zhuǎn)(carrier inversion)在內(nèi)的大范圍操縱載流子濃度成 為可能，并且對于沿納米線的不同段獨立進行此操作。這種方式提供理想一維納米線中的 費米能量的完全調(diào)諧。根據(jù)創(chuàng)建超短柵長度(大約50nm)的經(jīng)驗，垂直堆疊這類圍柵是可能的。這將允 許經(jīng)由單量子點或者單電子旋轉(zhuǎn)式柵門(single electron turn-stile)設(shè)計來控制沿其 長度的納米線的運輸溝道。雖然對于單納米線描述本發(fā)明，但是要理解，可按照相同方式共同對極大數(shù)量 (少至百萬)納米線進行選通。雖然結(jié)合當(dāng)前認為是最可行和優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但是要理解，本發(fā)明 并不是要局限于所公開的實施例，相反，它意在涵蓋所附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)的各種修 改和等效布 置。
權(quán)利要求
1.一種包括至少第一半導(dǎo)體納米線(105)的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第一納米 線(105)包括第一導(dǎo)電類型的第一縱長區(qū)(121)、第二導(dǎo)電類型的第二縱長區(qū)(122)以及設(shè) 置在所述納米線(105)的所述第一區(qū)(121)以便在將電壓施加到第一圍柵電極(111)時改 變與所述第一縱長區(qū)(121)關(guān)聯(lián)的所述納米線(105)的至少第一部分(101)中載荷子濃度 的所述至少第一圍柵電極(111)。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第二縱長區(qū)(122)沿所述納米線(105) 的長度與所述第一縱長區(qū)(121)依次設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第二縱長區(qū)(122)設(shè)置在與所述第一納 米線電接觸的第二納米線(106)中。
4.如權(quán)利要采1至3中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，第二圍柵電極(112)設(shè)置在 所述第二縱長區(qū)(122)，以便在將電壓施加到所述第二圍柵電極(112)時改變與所述第二 縱長區(qū)(122)關(guān)聯(lián)的至少一部分(102)中的所述載荷子濃度。
5.如權(quán)利要求1或4中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一縱長區(qū)(121)和所 述第二縱長區(qū)(122)是相同的導(dǎo)電類型。
6.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中，至少所述第一縱長區(qū)(121)和所述第二縱長 區(qū)(122)就成分和/或摻雜而論是同質(zhì)的。
7.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一和所述第二縱長區(qū)(121，122)包括 不同成分的至少兩個異質(zhì)結(jié)構(gòu)段。
8.如權(quán)利要求1至7中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，包括在所述第一縱長區(qū)(121)與 所述第二縱長區(qū)(122)之間的界面(116)處的人工縱長結(jié)(114)，其中在所述結(jié)(114)的各 側(cè)具有不同導(dǎo)電類型，并且對于其一側(cè)的所述部分(101)，在施加所述電壓時形成所述結(jié)。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述人工縱長結(jié)(114)為pn結(jié)。
10.如權(quán)利要求1至3中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一縱長區(qū)(121)和 所述第二縱長區(qū)(122)是不同的導(dǎo)電類型。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中，對于其一側(cè)的所述部分(101)，所述第一 縱長區(qū)(121)與所述第二縱長區(qū)(122)之間的界面(116)包括在縱長結(jié)(114)的各側(cè)具有 不同導(dǎo)電類型的所述結(jié)(114)，并且所述第一圍柵電極(111)適合在施加所述電壓時使所 述縱長結(jié)(114)移動。
12.如權(quán)利要求1至11中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一納米線(105)包 括第三縱長區(qū)(123)，所述第一縱長區(qū)(121)安置在所述第二與第三縱長區(qū)(122，123)之 間，以及其中一個或多個圍柵電極(111，112，113)適合控制ρ型區(qū)與η型區(qū)之間的耗盡區(qū) 的寬度和位置。
13.如權(quán)利要求4至12中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述納米線(105)包括 由具有所述第一圍柵電極(111)的所述第一區(qū)(121)和具有所述第二圍柵電極(112)的所 述第二區(qū)(122)來形成的人工結(jié)(114)，適合改變所述載荷子濃度，使得所述第一和第二區(qū) (121，122)的任一個為ρ型區(qū)，而另一個為η型區(qū)。
14.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述區(qū)(121，122，123)和一 個或多個圍柵電極(111，112，113)提供人工pn或pin結(jié)以便產(chǎn)生光，所述有源區(qū)適合在不 同成分和/或尺寸的異質(zhì)結(jié)構(gòu)段之間移動，以便產(chǎn)生具有不同波長的光。
15.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述區(qū)(121，122，123)和一 個或多個圍柵電極(111，112，113)提供人工pn結(jié)以便產(chǎn)生光，所述有源區(qū)適合沿梯度成分 的納米線段移動，以便產(chǎn)生具有不同波長的光。
16.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述納米線(105)包括形成徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu) 的核心(107)和至少第一殼層(108)，并且所述第一圍柵電極(111)適合用于在將電壓施加 到所述第一圍柵電極(111)時改變沿所述第一納米線(105)的所述第一縱長區(qū)(121)的徑 向的所述載荷子濃度。
17.如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)適合于包括有源區(qū)，以 便在施加所述電壓時產(chǎn)生光。
18.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一納米線(105)的至 少所述第一縱長區(qū)(121)包括具有可通過所述第一縱長區(qū)(121)的載荷子濃度的變化來改 變的鐵磁性質(zhì)的磁性半導(dǎo)體材料。
19.如權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一圍柵電極(411)設(shè)置在所述第一 納米線(405)的所述第一區(qū)(421)，以便開啟和關(guān)閉所述第一區(qū)(421)中的鐵磁性。
20.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述納米線(105，106)外延 設(shè)置在襯底(102)上，并且所述納米線(105，106)從所述襯底伸出。
21.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一納米線包括沿其長 度分布的一系列量子阱，并且一個或多個圍柵電極沿所述納米線的長度設(shè)置在不同位置以 提供有源區(qū)的調(diào)諧，以便對于所述量子阱的任一個產(chǎn)生光。
22.一種使用設(shè)置在第一納米線(105)的第一區(qū)(121)的至少第一圍柵電極(111)來 調(diào)節(jié)所述第一納米線(105)的性質(zhì)的方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟在將電壓 施加到所述第一圍柵電極(111)時，改變所述第一納米線(105)的所述第一區(qū)(121)的所 述載荷子濃度和/或類型或者所述鐵磁性質(zhì)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述改變所述載荷子濃度和/或類型的步驟適合 在將所述電壓施加到所述第一圍柵電極(111)時提供人工Pn或結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括至少第一半導(dǎo)體納米線(105)的半導(dǎo)體裝置，其中具有第一導(dǎo)電類型的第一縱長區(qū)(121)、第二導(dǎo)電類型的第二縱長區(qū)(122)以及設(shè)置在納米線(105)的第一區(qū)(121)以便在將電壓施加到第一圍柵電極(111)時改變第一縱長區(qū)(121)中的載荷子濃度的至少第一圍柵電極(111)。優(yōu)選地，第二圍柵電極(112)設(shè)置在第二縱長區(qū)(122)。由此，可實現(xiàn)可調(diào)人工結(jié)(114)，而無需納米線(105)的實質(zhì)摻雜。
文檔編號B82B1/00GK102007067SQ200980114203
公開日2011年4月6日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者E·林德, J·奧爾森, L·薩穆爾森 申請人:昆南諾股份有限公司