CN107978518A - 一种实现半导体产生负介电常数并对其进行调制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体实现负介电常数的方法，并采用电信号对负介电常数进行调控的方法，具体为：采用辐照源对半导体材料或半导体材料制作而成的半导体器件或半导体器件制作而成的电路进行辐照，与辐照前的样品相比较，辐照后的样品将会在一定频率范围内产生负介电常数；改变辐照后样品两极间的直流偏置电流或者直流偏置电压实现对负介电常数的调制。本发明实现了半导体材料器件在一定频率范围内的负介电常数，与现有采用人工周期性金属结构实现负介电常数相比，具有电学信号可调的特性，并且本发明不增加任何半导体材料和半导体器件以及电路制造的工艺步骤，不增加制作成本，对实现半导体在超材料领域的应用具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明提供一种实现半导体产生负介电常数并对其进行调制的方法，属于负介电常数材料器件制备的技术领域，尤其涉及电信号可调制负介电常数的方法。
背景技术
介电常数可以宏观地描述媒质的电磁性质，是麦克斯韦方程组中重要的参数之一。介电常数和频率相关，在绝大多数情况下为正数。近年来对特异性材料的研究成为了学术界的一大热点，是因为特异性材料的周期性结构的尺寸远小于电磁波波长，对于器件的小型化和集成化非常有利。特异性材料是指一种人工周期性材料，具有负的介电常数或负的磁导率或同时具有负的介电常数和负的磁导率。正是由于这种独特的电磁特性，特异性材料在光学、电磁学等领域以及其交叉学科领域等由于广泛的研究和应用前景。
目前实现负介电常数的方法主要是采用人工周期性金属结构的特异性材料。半导体材料和器件作为在集成电路和信息传输领域的基础性和重要性的作用和地位，实现负介电常数及对其可调，对实现半导体材料和器件在超材料领域的应用具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的主要提供了一种半导体材料或由半导体材料制作的半导体器件或由半导体器件构成的电路实现负介电常数，并采用电信号对负介电常数进行调控的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：半导体材料器件包括从下至上依次层叠设置的金属电极、N+区、本征层、P+区、金属电极。上下结构可倒置为金属电极、P+区、本征层、N+区、金属电极；采用辐照源对所述半导体材料器件进行辐照；采用直流偏置电流或直流偏置电压对辐照后的半导体材料器件的介电常数进行调制。
进一步地，所述半导体材料器件结构中的本征层厚度远远大于P+区和N+区。
进一步地，所述半导体材料可以是硅或其他半导体材料，可以是N型半导体材料或者P型半导体材料；所述金属电极可以是金或其他导电材料。
进一步地，所述辐照源可以是高能电子束或其他辐照源。
本发明实现了半导体材料器件在一定频率范围内的负介电常数，与现有采用人工周期性金属结构实现负介电常数相比，具有电学信号可调的特性；本发明半导体材料所形成的器件结构简单，与现有半导体器件的制造工艺完全兼容，工艺成熟，容易实现；本发明不增加任何工艺步骤，仅采用辐照的情况下实现了半导体器件的负介电常数，因此不增加任何工艺成本。
附图说明
附图1为本发明实施的半导体材料器件的结构示意图；
附图2为本发明实施的半导体材料器件的剖面结构示意图；
附图3为本发明实施的半导体材料器件在高能电子束辐照前后介电常数与频率的关系曲线对比图；
附图4为本发明实施的半导体材料器件在高能电子束辐照后，不同直流偏置电流条件下介电常数与频率的关系曲线；
附图标记说明：1—金属电极；2—P+区；3—本征区；4—N+区；5—金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如附图1~2所示，以N型本征半导体硅材料器件为例的一种实现半导体材料器件产生负介电常数并对其进行调制的方法的半导体材料器件垂直结构由下至上分别为：金属电极5，N+层4，本征层3，P+层2，金属电极1；该实施例所述金属电极1，金属电极5为金属金；所述金属电极1与P+层2以及所述金属电极5与N+层4均为欧姆接触；该实施例所述的硅材料N型单晶硅片，将单晶硅片上下两面进行抛光后，分别在硅片上下两面采用热扩散的方式在单晶硅片上下两面分别形成P+层和N+层；在P+层和N+层表面镀上金属金作为电极，形成欧姆接触。
本实施例中应用于一种实现半导体材料器件产生负介电常数并对其进行调制的方法的半导体材料器件的结构中值得注意的是：金属电极1、金属电极5包括金属金电极以外的其他导电材料同样适用；P+层和N+层的形成包括但不限于热扩散法；半导体材料包括但不限于单晶硅材料。
对于所述的器件结构中2、3、4中每一区的杂质掺杂浓度以及每一区的厚度可根据实际情况调整，其特征在于可以满足以下条件即可：器件在正向偏置条件下，载流子从高掺杂的P+区、N+区注入到低掺杂的本征区，本征区中自由载流子浓度增加到高于其本底掺杂浓度的几个数量级，在满足电中性的条件下电子和空穴达到动态平衡，本征层中存储有大量电子-空穴对载流子，本征区变成低电阻区域。
如附图3所示，上述半导体材料器件辐照后，在一定的频率范围内，约103 Hz~106 Hz，介电常数由未辐照时的正值变为负值；该实施例附图3所示的产生负介电常数的结果可通过以下方法制备得到：将实施例所述的半导体材料器件放置在高能电子束辐照源下进行辐照；其特征在于：辐照源包括但不限于高能电子束、伽马射线、质子辐照源、中子辐照源、重离子辐照源及其他辐照源。
如附图4所示，实施例所述的采用高能电子束辐照半导体材料器件实现的某些频率范围内的负介电常数可以通过正向偏置电流值的大小对负介电常数进行调控；其特征在于：调控的电学信号包括正向偏置电流和正向偏置电压，但不限于所述的两种电信号。
以上对本发明及实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图1~4所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的半导体材料、器件的结构、器件结构的形成工艺过程、电路并不局限于此，辐照方式并不局限于高能电子束源辐照，对负介电常数的调控方式也不局限于正向偏置电流。熟悉本领域技术的人员显然可以容易的对实施例做出各种修改，并将其应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，在本发明的技术方案的基础上做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种实现半导体产生负介电常数并对其进行调制的方法，其特征在于：所述方法是采用辐照源对半导体材料或半导体材料制作成的半导体器件或半导体器件制作而成的电路进行辐照，采用改变辐照后半导体材料或半导体材料制作而成的半导体器件或半导体器件制作而成的电路两极的直流偏置电流或者直流偏置电压实现对负介电常数的调制；所述的半导体材料可以先辐照后再制作成器件，或者先制作成器件后再进行辐照；所述半导体器件可以先辐照再用于电路的制作，或者先制作成电路再进行辐照；所述半导体材料或半导体器件或电路包含至少两个电极；所述半导体材料和半导体器件和电路两极负载直流偏置电流或直流偏置电压对介电常数进行调制。
2.根据权利要求1所述的一种实现半导体产生负介电常数并对其进行调制的方法，其特征在于：所述辐照源包括但不限于高能电子束、伽马射线、质子辐照源、中子辐照源、重离子辐照源及其他辐照源。
3.根据权利要求1所述的一种实现半导体产生负介电常数并对其进行调制的方法，其特征在于：所述本征半导体材料为n型或p型半导体材料，以及由n型或p型半导体材料制作而成的半导体器件，以及由n型或p型半导体材料制作而成的半导体器件所制作而成的电路。
4.根据权利要求1所述的一种实现半导体产生负介电常数并对其进行调制的方法，其特征在于：所述半导体材料器件所采用的半导体材料包括但不限于硅材料。
5.根据权利要求1所述的一种实现半导体产生负介电常数并对其进行调制的方法，其特征在于：两个电极包括但不限于金属金电极。
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