專利名稱：具有可調(diào)能帶帶隙的半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能帶帶隙能夠被電改變的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體材料中，帶隙是一個(gè)重要的參數(shù)，其在很大程度上決定了半導(dǎo)體材料的特性。帶隙被定義為價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差。這是激發(fā)電子從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶所需的能量。導(dǎo)帶中的電子具有移動(dòng)通過(guò)材料的能力，由此能傳導(dǎo)電流。對(duì)于發(fā)光二極管(LED)，帶隙調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致發(fā)射光的顏色改變。當(dāng)導(dǎo)帶中的電子返回價(jià)帶時(shí)，電子以光子形式釋放能量。帶隙越大，光子能量就越多。以可逆方式改變帶隙的方式是使半導(dǎo)體晶格應(yīng)變。已顯示，可實(shí)現(xiàn)100meV級(jí)的帶隙變化。這種變化足以顯著改變例如肖特基二極管的特性。在光發(fā)射方面，這將導(dǎo)致顏色例如由黃到綠的變化。
美國(guó)專利no.4,935,935公開(kāi)了一種電性可調(diào)的半導(dǎo)體裝置。將至少一個(gè)壓電物質(zhì)薄膜布置在與半導(dǎo)體裝置有關(guān)的應(yīng)力發(fā)送中，并且來(lái)自電路的信號(hào)引起壓電薄膜向半導(dǎo)體發(fā)送應(yīng)力，從而改變半導(dǎo)體裝置的反應(yīng)。當(dāng)調(diào)節(jié)電壓施加于壓電薄膜時(shí)，薄膜與調(diào)節(jié)電壓成比例變形，并且對(duì)半導(dǎo)體施加應(yīng)力，該應(yīng)力改變了半導(dǎo)體能隙。
美國(guó)專利no.4,935,935中留下的問(wèn)題是如何增大電性可調(diào)半導(dǎo)體裝置中所施加的應(yīng)變的效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述給出的問(wèn)題和提供一種可以改變能帶帶隙的半導(dǎo)體裝置。通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的能帶帶隙能夠被電改變的半導(dǎo)體裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該裝置包含至少一個(gè)半導(dǎo)體納米線、壓電材料和布置在壓電材料上的電極，經(jīng)由壓電材料施加電壓至電極以引起壓電材料變形，其中布置至少一個(gè)半導(dǎo)體納米線與壓電材料機(jī)械接觸，并且變形施加應(yīng)力于至少一個(gè)半導(dǎo)體線，這會(huì)引起半導(dǎo)體納米線能帶帶隙的變化。
本發(fā)明的一個(gè)思想是提供一種裝置，該裝置基于嵌入在材料中的納米線，在適當(dāng)處理例如鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AIN)或者氧化鋅(ZnO)的這種壓電材料時(shí)，材料顯示出變形。例如，該裝置能夠在發(fā)射光、開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)應(yīng)用中實(shí)施。借助對(duì)壓電材料施加電壓，通過(guò)對(duì)壓電材料施加局部變形，納米線能可逆地應(yīng)變。因此，借助電感應(yīng)機(jī)械激勵(lì)，納米線可逆地應(yīng)變?？梢岳盟玫膸蹲兓瘉?lái)調(diào)整從例如LED或者激光器發(fā)射的光的顏色。這是帶隙與發(fā)射光的頻率成比例這一事實(shí)的結(jié)果。在其它領(lǐng)域的應(yīng)用中，能夠控制半導(dǎo)體結(jié)中的接觸電阻，并且該特征在存儲(chǔ)器和開(kāi)關(guān)中是非常有利的。
本發(fā)明是有益的，因?yàn)閷?duì)于可比較的應(yīng)力條件，也就是，對(duì)于施加于壓電材料的可比較的電壓，半導(dǎo)體線(和為此線的能帶帶隙的寬度)感受的應(yīng)力將隨線直徑減小而增加。這暗示在這些類型的應(yīng)用中使用納米線是非常有利的。此外，如果對(duì)于量子限制效應(yīng)來(lái)說(shuō)線直徑足夠小至能觀察到，其一般意味著直徑小于10-20nm，帶隙將由于量子限制而增大。這兩種帶隙變化效應(yīng)(也就是通過(guò)所施加的應(yīng)力或通過(guò)量子限制引起的帶隙變化)互相增強(qiáng)。例如，當(dāng)應(yīng)用壓應(yīng)力時(shí)，帶隙由于所施加的應(yīng)力而增大，另外由于線直徑的減小，帶隙由于量子限制效應(yīng)的增加而增大。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，將半導(dǎo)體納米線嵌入壓電材料中，這種嵌入進(jìn)一步增大了施加電壓時(shí)由壓電材料引起的應(yīng)力。理想地，納米線完全嵌入該材料中。
本發(fā)明的其它實(shí)施例由從屬權(quán)利要求的主題來(lái)定義。當(dāng)研究附加的權(quán)利要求和下面的描述時(shí)，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，可以組合本發(fā)明的不同特征來(lái)建立除下面描述的那些實(shí)施例之外的實(shí)施例。


參考附圖，將更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1示出了納米線如何生長(zhǎng)的實(shí)例，其中將陽(yáng)極化的氧化鋁模板布置在襯底的導(dǎo)電層上；圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中壓電材料作為薄層沉積在納米線周圍；和圖3示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中納米線和壓電材料布置在襯底的導(dǎo)電層上。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)應(yīng)用眾所周知的汽態(tài)-液態(tài)-固態(tài)(VLS)過(guò)程，半導(dǎo)體線和碳納米管能夠生長(zhǎng)。一般在從400到800℃的溫度范圍進(jìn)行這個(gè)過(guò)程。為了進(jìn)一步生長(zhǎng)，VLS過(guò)程使用像原子核一樣的小金屬微粒。當(dāng)使用足夠小的金屬微粒時(shí)，線直徑能制得小于10nm。作為可選的方法，通過(guò)在室溫下應(yīng)用電化學(xué)處理，能夠?qū)雽?dǎo)體線和金屬沉積于適當(dāng)?shù)哪０逯?。在任一過(guò)程中，或者通過(guò)結(jié)合這兩個(gè)過(guò)程，能夠使包括例如n和p型半導(dǎo)體材料或者顯示異質(zhì)結(jié)的分段線生長(zhǎng)。當(dāng)需要高密度的半導(dǎo)體線時(shí)，可以使用適當(dāng)?shù)哪０濉．?dāng)適當(dāng)?shù)臈l件占優(yōu)勢(shì)時(shí)，公知鋁的電化學(xué)氧化、也就是陽(yáng)極氧化會(huì)導(dǎo)致非常規(guī)則的多孔氧化鋁。一般，孔與上面布置了孔的襯底表面垂直?？椎闹睆绞欠浅＞鶆虻?，并且通?？梢詮拇蠹s5nm改變到300nm。通過(guò)預(yù)處理局部表面，例如通過(guò)應(yīng)用電子束或者壓印，孔可以是橫向有序的。能代替陽(yáng)極化的氧化鋁使用可選的模板，例如蝕刻軌跡的薄膜。本發(fā)明提供一種基于從適當(dāng)?shù)钠嗟拇呋L(zhǎng)或者在模板中的電化學(xué)生長(zhǎng)、以及在壓電材料中嵌入納米線的制備方法。對(duì)于納米線，可以使用半導(dǎo)體類型IV、III-V或者II-VI材料的任一種。
圖1示出了如何能使納米線生長(zhǎng)的實(shí)施例。將陽(yáng)極化的氧化鋁模板101布置在襯底102的導(dǎo)電層120上。模板的孔103用金屬沉積物104局部地填充，例如Au、Fe、Co、Ni等，作為VLS半導(dǎo)體線生長(zhǎng)的催化劑?？梢詰?yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的VLS生長(zhǎng)或者電化學(xué)沉積來(lái)沉積半導(dǎo)體材料105，例如CdSe、Si或者InP。在線生長(zhǎng)期間通過(guò)改變生長(zhǎng)的條件，能使帶有例如pn結(jié)或者異質(zhì)結(jié)的分段線106生長(zhǎng)。用適當(dāng)?shù)慕佑|金屬150進(jìn)一步填充(如電氣化學(xué)地)被部分填充的孔。其后，通過(guò)在1M KOH中蝕刻模板或者在4％H3PO4或者1.5％CrO3中部分蝕刻模板來(lái)去掉氧化鋁(也稱為鋁氧土)，以便線的至少頂部部件不再嵌入氧化鋁中。因此，依靠蝕刻處理來(lái)創(chuàng)建獨(dú)立的納米線。隨后，例如經(jīng)由溶膠凝膠合成，將頂部部件嵌入壓電材料107中，例如BaTiO2或者PZT。可圖案化由壓電材料創(chuàng)建的層，以便能夠局部地處理單獨(dú)的線或者小組的線。在該嵌入過(guò)程之前或之后，對(duì)層的頂部部分拋光，其由點(diǎn)線108表示，并且將電觸點(diǎn)(未顯示)沉積于其上。應(yīng)當(dāng)至少圖案化頂部金屬，以便能夠分別地處理線和壓電材料。在本發(fā)明的實(shí)施例中可以用電介質(zhì)薄層部分地或者全部地覆蓋納米線。如果沒(méi)有圖案化壓電材料(或者至少到壓電材料的觸點(diǎn))，就會(huì)同時(shí)影響所有的線。這在LED型光發(fā)射器的情況下是可接受的，但對(duì)于一些電子應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)能夠局部地改變半導(dǎo)體線的特性，而不是影響其它的部分。
當(dāng)將Au圖案直接沉積于Si上時(shí)(例如通過(guò)利用光刻法圖案化薄Au膜或者通過(guò)采用自裝配法沉積膠質(zhì)Au粒子)，VLS方法能用于局部地生長(zhǎng)在Au粒子位置處的線。先前已經(jīng)描述了GaP、GaAs和InP在Si(100)和Si(111)上的外延生長(zhǎng)，而GaN已經(jīng)在各種藍(lán)寶石表面(例如Al2O3(001)、Al2O3(2-10)、Al2O3(100)、Al2O3(101))上外延生長(zhǎng)。線與襯底之間的外延關(guān)系對(duì)于線定向和線的(底)接觸是有利的。這種方法會(huì)產(chǎn)生在襯底表面處的獨(dú)立線，并且可以如同在其它實(shí)施例中所描述的一樣進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
圖2示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中將壓電材料207作為薄層沉積在納米線206的周圍。如關(guān)于圖1所描述的那樣生長(zhǎng)納米線。在該特定的實(shí)施例中，金屬209蓋在納米線頂上。例如，借助化學(xué)氣相沉淀或者與濺射蝕刻結(jié)合的濺射沉淀，通過(guò)用良好臺(tái)階覆蓋率的一層壓電材料覆蓋金屬線。隨后用電介質(zhì)材料210填充線之間的區(qū)域。對(duì)層的頂部部分拋光，其由點(diǎn)線208表示，并且將電接觸點(diǎn)(未顯示)沉積在其上。
圖3示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中壓電材料307布置在襯底302的導(dǎo)電層320上。其后，將納米線306沉積于其上，并且將金屬源極和漏極311形式的電接觸點(diǎn)施加于納米線306。隨后，將另一層壓電材料312沉積于納米線306上，以便使納米線嵌入壓電材料307、312中。然后局部應(yīng)用頂部電極313以處理壓電材料。在沒(méi)有使用頂層壓電材料312的情況下，頂部電極應(yīng)用于壓電材料307。由于第二層312，能全面地激勵(lì)納米線，這會(huì)增加所施加應(yīng)力的影響。當(dāng)經(jīng)由電極313將電壓V施加于壓電材料312時(shí)，壓電材料發(fā)生局部膨脹，并使納米線306可逆地遭受應(yīng)力。獲得的納米線306的帶隙變化引起納米線的電特性改變。
盡管已參考本發(fā)明的具體示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但許多不同的變形、修改等對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員中將變得更加明顯。因此，描述的實(shí)施例不意指限制本發(fā)明的范圍，而由所附加的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種能帶帶隙能夠被電性改變的半導(dǎo)體裝置，該裝置包括至少一個(gè)半導(dǎo)體納米線(306)；壓電材料(307)；布置在壓電材料處的電極(313)，經(jīng)由該電極施加電壓以引起壓電材料變形；其中所述至少一個(gè)半導(dǎo)體納米線被布置成與所述壓電材料機(jī)械接觸，并且所述變形對(duì)所述至少一個(gè)半導(dǎo)體線施加應(yīng)力，這引起半導(dǎo)體納米線的能帶帶隙改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少一個(gè)半導(dǎo)體納米線被嵌入到壓電材料(307，312)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體裝置，其中該裝置包括多個(gè)分段的半導(dǎo)體納米線(306)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的半導(dǎo)體裝置，其中將一電介質(zhì)層應(yīng)用于所述至少一個(gè)半導(dǎo)體納米線(306)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的半導(dǎo)體裝置，其中電接觸點(diǎn)(311)被布置在所述至少一個(gè)半導(dǎo)體納米線(306)處。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的半導(dǎo)體裝置，其中所述裝置包括多個(gè)并置布置的半導(dǎo)體納米線，并且在半導(dǎo)體納米線之間的區(qū)域填充有電介質(zhì)材料(210)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的半導(dǎo)體裝置，進(jìn)一步包括具有導(dǎo)電層(320)的襯底(302)，在該導(dǎo)電層上面布置了所述壓電材料(307)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少一個(gè)半導(dǎo)體納米線(306)包含在發(fā)光二極管中，使得半導(dǎo)體納米線的能帶帶隙的變化能夠改變從所述發(fā)光二極管發(fā)出光的顏色。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能帶帶隙能夠被電性改變的半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的思想是提供一種裝置，該裝置基于嵌入在材料(307)中的納米線(306)，當(dāng)適當(dāng)?shù)靥幚砝玟嗏佀徙UPZT、氮化鋁AlN或者氧化鋅ZnO的這種壓電材料時(shí)，材料(307)顯示出變形。借助將電壓應(yīng)用于該材料，可以通過(guò)施加對(duì)壓電材料(307、312)的部分變形而可逆地應(yīng)變納米線(306)。利用所得到的帶隙變化調(diào)整從例如LED或者激光器發(fā)射的光的顏色。這是帶隙與發(fā)出光的頻率成比例的事實(shí)的結(jié)果。在其它領(lǐng)域的應(yīng)用中，能夠控制半導(dǎo)體結(jié)中的接觸電阻，并且該特征在存儲(chǔ)器和開(kāi)關(guān)中有非常有利的。
文檔編號(hào)H01S5/34GK101048881SQ200580037002
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月27日
發(fā)明者A·R·巴爾克南德, E·P·A·M·巴克斯, L·F·費(fèi)納 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司