CN112103158B - 一种纳米二极管、其制备方法及其应用 - Google Patents

一种纳米二极管、其制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种纳米二极管、其制备方法及其应用，所述方法包括以下步骤：S1：制备第二电极层：在衬底上处理第二电极材料形成第二电极层；S2：制备绝缘层：在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面上处理绝缘材料形成绝缘层；S3：制备第一电极层：在所述绝缘层远离所述第二电极层一侧的表面上处理第一电极材料形成第一电极层；S4：采用各向同性腐蚀工艺去除所述第一电极层和所述第二电极层之间的部分绝缘层，以使所述绝缘层不完全填充所述第一电极层和所述第二电极层之间的空间；本发明的纳米二极管不仅具有高功率和高频率响应优势，且同时具备低功耗、便于集成化的优点，符合未来集成电路的发展需求。

Description

一种纳米二极管、其制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种纳米二极管、其制备方法及其应用。
背景技术
二极管是一种重要的电子元器件，广泛应用于各种数字和模拟电路中，主要包括真空二极管和半导体二极管两种类型。真空二极管基于电子发射机制，在高功率、高频率响应方面优于半导体二极管，但是真空二极管在体积、能耗以及集成化方面的功能较半导体二极管弱；
半导体二极管体积小、能耗低、便于批量化制造与高密度集成，但是半导体二极管在随着摩尔定律的发展缩小至纳米尺度后，面临尺寸缩小所带来的漏电加剧、热耗散困难等问题。
因此，亟需开发一种具有高功率、高频率，低功耗、便于集成化的新型纳米二极管，以便于后续在太赫兹、低功耗等领域应用，以解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提供一种纳米二极管、其制备方法及其应用，具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种纳米二极管的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1：制备第二电极层：在衬底上处理第二电极材料形成第二电极层；
S2：制备绝缘层：在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面上处理绝缘材料形成绝缘层；
S3：制备第一电极层：在所述绝缘层远离所述第二电极层一侧的表面上处理第一电极材料形成第一电极层；
S4：采用各向同性腐蚀工艺去除所述第一电极层和所述第二电极层之间的部分绝缘层，以使所述绝缘层不完全填充所述第一电极层和所述第二电极层之间的空间。
在一个实施例中，步骤S1中，在衬底上处理第二电极材料形成第二电极层，包括在衬底上采用沉积工艺、光刻工艺、干法工艺和湿法刻蚀工艺处理第二电极材料，形成第二电极层；
步骤S3中，在所述绝缘层远离所述第二电极层一侧的表面上处理第一电极材料形成第一电极层，包括在绝缘层的表面上采用沉积工艺、光刻工艺、干法工艺和湿法刻蚀工艺处理第一电极材料，形成第一电极层。
在一个实施例中，具体的，所述第一电极层和所述第二电极层的制备方法均包括物理气相沉积法，化学气相沉积法，电子束蒸发和分子束外延法。
在一个实施例中，具体的，所述第一电极材料为硅、金属、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种，所述第二电极材料为硅、金属、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种。
在一个实施例中，步骤S2中，在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面上处理绝缘材料形成绝缘层，包括在第二电极层的表面上采用氧化工艺、沉积工艺、光刻工艺和刻蚀工艺处理绝缘材料，形成绝缘层。
在一个实施例中，具体的，所述绝缘层的制备方法包括物理气相沉积法和化学气相沉积法。
在一个实施例中，步骤4中，采用各向同性腐蚀工艺去除所述第一电极层和所述第二电极层之间的部分绝缘层包括：湿法腐蚀液选择性去除所述第一电极层和所述第二电极层之间的部分绝缘层。
第二方面，本发明提供一种基于上述纳米二极管的制备方法制备的纳米二极管，包括第一电极层、绝缘层和第二电极层，所述绝缘层位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的空间内；
所述第一电极层和所述第二电极层中一个为电子的发射极，另一个为电子的接收极。
在一个实施例中，所述绝缘层的绝缘材料包括氧化硅、氧化铝、氮化硅或二氧化铪中的一种或多种。
在一个实施例中，所述绝缘层的厚度为1-1000nm。
在一个实施例中，还包括衬底，所述第二电极设置在所述衬底上。
在一个实施例中，所述衬底为半导体、金属或玻璃中的一种材料组成。
第三方面，本发明提供一种集成电路，所述集成电路包括上述所述的纳米二极管。
由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种纳米二极管的制备方法，其制作出的纳米二极管不仅具有高功率和高频率响应优势，且采用平面工艺制备，使得纳米二极管同时具备低功耗、便于集成化的优点，符合未来集成电路的发展需求，有望应用在太赫兹、低功耗等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1-1-图1-6：本发明实施例提供的纳米二极管的制备步骤的结构示意图；
图2：本发明实施例提供的一种纳米二极管的结构示意图；
图3：本发明实施例提供的另一种纳米二极管的结构示意图；
图4：本发明实施例提供的纳米二极管的数值仿真图；
图5：本发明实施例提供的纳米二极管的电压-电流曲线图；
其中，1-第一电极层，2-绝缘层，3-第二电极层，4-衬底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于以下定义的术语，除非在权利要求书或本说明书中的其他地方给出一个不同的定义，否则应当应用这些定义。所有数值无论是否被明确指示，在此均被定义为由术语“约”修饰。术语“约”大体上是指一个数值范围，本领域的普通技术人员将该数值范围视为等同于所陈述的值以产生实质上相同的性质、功能、结果等。由一个低值和一个高值指示的一个数值范围被定义为包括该数值范围内包括的所有数值以及该数值范围内包括的所有子范围。
以下介绍本发明提供的一种纳米二极管的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1：制备第二电极层：在衬底上处理第二电极材料形成第二电极层；
S2：制备绝缘层：在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面上处理绝缘材料形成绝缘层；
S3：制备第一电极层：在所述绝缘层远离所述第二电极层一侧的表面上处理第一电极材料形成第一电极层；
S4：采用各向同性腐蚀工艺去除所述第一电极层和所述第二电极层之间的部分绝缘层，以使所述绝缘层不完全填充所述第一电极层和所述第二电极层之间的空间；最终形成第二电极层/绝缘层/第一电极层柱状结构。
具体的，如图3所示。
本申请中绝缘层不完全填充第一电极层和第二电极层之间的空间，使得未填充部分对电场分布产生集中作用。
具体的，如图4所示，为本申请制备的纳米二极管的数值仿真图；
其中，在数值仿真中设置绝缘层距离第一电极层边缘距离W，以表征这一结构特征，绝缘层厚度用h表示，此数值在仿真中设置h为100nm。
由图4的仿真结果显示，纳米二极管结构最大电场产生在第一电极层边缘(如图中箭头所指的位置)，并由此向外逐渐减弱，增强后的电场达到了可以引发电子场发射的程度，使第一电极层和第二电极层之间产生的电流。
在本说明书实施例中，所述在衬底上处理第二电极材料形成第二电极层，包括但不限于在衬底上采用沉积工艺、光刻工艺、干法工艺和湿法刻蚀工艺处理第二电极材料，形成第二电极层；
优选地，所述衬底和所述第二电极层可以为一体结构。
在本说明书实施例中，所述在所述绝缘层远离所述第二电极层一侧的表面上处理第一电极材料形成第一电极层，包括但不限于在绝缘层的表面上采用沉积工艺、光刻工艺、干法工艺和湿法刻蚀工艺处理第一电极材料，形成第一电极层。
在本说明书实施例中，所述第一电极材料为硅、金属、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种，所述第二电极材料为硅、金属、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种。
在本说明书实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层的制备方法均包括但不限于物理气相沉积法，化学气相沉积法，电子束蒸发和分子束外延法。
进一步地，在所述衬底的上形成所述第二电极层可以采用的方法包括但不限于溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、原子气相沉积法(AVD)或原子层沉积法(ALD)等。
进一步地，在所述绝缘层远离所述第二电极层一侧的表面上形成所述第一电极层可以采用的方法包括但不限于溅射法，蒸发法，CVD，PECVD，LPCVD，MOCVD，MBE，AVD或ALD等。
优选地，所述溅射法可以为磁控溅射法。
在本说明书实施例中，在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面上处理绝缘材料形成绝缘层，包括但不限于在第二电极层的表面上采用氧化工艺、沉积工艺、光刻工艺和刻蚀工艺处理绝缘材料，形成绝缘层。
在本说明书实施例中，所述在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面沉积形成绝缘层可以包括但不限于：利用物理气相沉积法和化学气相沉积法在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面沉积形成绝缘层。
在本说明书实施例中，优选地，所述绝缘层的厚度为1-1000nm。
在本说明书实施例中，所述采用各向同性腐蚀工艺去除所述第一电极层和所述第二电极层之间的部分绝缘层可以包括：湿法腐蚀液选择性去除所述第一电极层和所述第二电极层之间的部分绝缘层。
优选地，湿法腐蚀液选择性去除所述第一电极层和所述第二电极层之间的部分绝缘层可以包括但不限于采用热磷酸组成的湿法腐蚀液选择性去除底部和顶部电极之间的部分绝缘层或由氢氟酸组成的湿法腐蚀液选择性去除底部和顶部电极之间的部分绝缘层。
本发明提供了纳米二极管的制备方法，其制作出的纳米二极管不仅具有高功率和高频率响应优势，且采用平面工艺制备，使得纳米二极管同时具备低功耗、便于集成化的优点，符合未来集成电路的发展需求，有望应用在太赫兹、低功耗等领域。
以下介绍本发明提供的一种纳米二极管，其由上述纳米二极管的制备方法制备得到；
所述纳米二极管包括第一电极层1、绝缘层2和第二电极层3，所述绝缘层2位于所述第一电极层1和所述第二电极层3之间的空间内；
所述第一电极层1和所述第二电极层3中一个为电子的发射极，另一个为电子的接收极。
在本说明书实施例中，所述第一电极层1的第一电极材料为硅、金属、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种，所述第二电极层3的第二电极材料为硅、金属、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种。
具体的，第一电极层1和第二电极层3的材料的功函数较低的一个电极层为电子的发射极，另一个为电子的接收极；当第一电极层1和第二电极层3的材料的功函数相同时，第一电极层1和第二电极层3中任意一方均为作为电子的发射极，另一方作为电子的接收极。
具体的，电子的发射极所在的电极层表面可以为平整的也可以为凹凸不平的。
在本说明书实施例中，所述绝缘层2不完全填充所述第一电极层1和所述第二电极层3之间的空间；
优选地，所述第一电极层1和第二电极层3是横向面积均大于绝缘层的横向面积，所述第一电极层1和所述第二电极层3的横向面积可相同也可不同。
优选地，当所述第一电极层1和所述第二电极层3的横向面积不同时，可以是第一电极层1的横向面积小于第二电极层3的横向面积。
在本说明书实施例中，所述绝缘层2的绝缘材料包括氧化硅、氧化铝、氮化硅或二氧化铪中的一种或多种。
优选地，所述绝缘层2的厚度为1-1000nm。
优选地，所述绝缘层2可以包括但不限于：利用物理气相沉积法和化学气相沉积法合成。
优选地，第一电极层1的第一电极材料可为金、铜、铝等功函数相对高的金属材料，作为电子的接收极；第二电极层3的第二电极材料可为单晶硅、掺杂的硅、纳米金刚石等功函数相对低的材料，作为电子的发射极；绝缘层可为二氧化硅、氮化硅等可被选择性腐蚀的介质层，厚度越小越有利于提高器件整体电流、降低工作电压。
在本说明书实施例中，还包括衬底4，所述第二电极层3设置在所述衬底4上。
优选地，所述衬底4为半导体、金属或玻璃中的一种材料。
在本说明书实施例中，衬底4和第二电极层3可以为一体结构，也可以在衬底上再制备第二电极层3。
具体的，如图2所示，当衬底4和第二电极层3为一体结构时，其采用的制备材料相同。
在本说明书实施例中，所述纳米二极管工作环境可以包括但不限于真空、单一气体或混合气体环境，高真空条件非器件必需。
本发明中的纳米二极管，既具有真空二极管高功率和高频率的响应优势，同时具备半导体二极管低功耗、便于集成化的优点，符合未来集成电路的发展需求，有望应用在太赫兹、低功耗等领域。
以下介绍本发明提供的一种集成电路，所述集成电路包括：上述所述的纳米二极管。
本发明提供的一种纳米二极管器件制备的工艺流程；
如图1-1至图1-6所示，本实施例介绍一种纳米二极管器件的制备步骤的结构示意图；
具体的制备方法包括如下步骤：
A1:将重掺杂的硅片作为衬底4和第二电极层3的制备材料，制备得到一体结构的衬底4和第二电极层3；如图1-1所示；其中，重掺杂的硅片的掺杂剂量为1E15/cm2的磷离子，注入能量为80keV。
A2:采用低压化学气相沉积法在第二电极层3上氮化硅材料，形成厚度为100nm绝缘层2，绝缘层2为氮化硅薄膜结构，具体的如图1-2所示；
A3:采用光刻和反应离子刻蚀(RIE)去除一部分氮化硅薄膜，具体的，如图1-3所示，去除氮化硅薄膜，使第二电极层3的一部分暴露出来，用以制作引线，其中去除的氮化硅薄膜的纵向厚度为100nm，也即是氮化硅薄膜本身的纵向厚度以使得第二电极层暴露出来；去除的氮化硅薄膜横向长度可根据需要进行调整；本申请中对此不做限定。
A4:采用磁控溅射法在绝缘层2上沉积第一电极材料，形成厚度为200nm厚的第一电极层1，第一电极层1为金属铂层；具体的如图1-4所示，溅射时的本底真空为3E-4Pa，溅射时真空为5E-1Pa，使用的电极材料可以为金属铂；
A5:采用光刻和RIE刻蚀去除一部分的金属铂层，得到第一电极层1和引线；具体的如图1-5所示，去除金属铂层使部分绝缘层2暴露出来，其中去除的金属铂层的纵向厚度为200nm，也即是金属铂层的本身的厚度，以使绝缘层2暴露出来；去除的金属铂层横向长度可根据需要进行调整；本申请中对此不做限定。
A6:采用热磷酸组成的湿法腐蚀液去除绝缘层2中靠近所述第一电极层1一侧无第一电极层1遮挡的绝缘层2，以及第一电极层1和第二电极层3之间的部分绝缘层2，使得绝缘层2的横向面积小于第一电极层1和第二电极层3中任意一个的横向面积；具体的如图1-6所示，由于绝缘层2的厚度为100nm，因此在采用热磷酸组成的湿法腐蚀液去除绝缘层2时，其横向腐蚀速度较慢，可根据实际需要通过时间控制横向的腐蚀程度。
以上步骤最终形成第二电极层/绝缘层/第一电极层柱状结构。
需要说明的是，所述绝缘层2可以通过但不仅限于采用低压化学气相沉积法形成。
所述的纳米二极管器件通过电学测试得到的电压-电流曲线如图5所示，由图5可知，对纳米二极管器件进行电学测试时，第二电极层3施加0V电压，第一电极层1施加正向电压和反向电压，并测试相应电流，得到图5所示的器件的电流-电压曲线。
如图5所示，纳米二极管器件施加正向电压时，电子从第二电极层3发射，被第一电极层1接收，形成正向电流，且电流随第一电极层1电压的增加而指数增加；纳米二极管器件施加反向电压时，电子从第一电极层1发射，被第二电极层3接收，由于第一电极层1采用的材料金属铂的功函数较高，不利于电子发射，因此形成的反向电流明显小于正向电流，在本实施例中反向电流小于正向电流约三个数量级，器件整体形成明显的二极管特征，即正向导通电流远大于反向导通电流。
需要说明的是，所述第一电极层1、绝缘层2和第二电极层3的厚度均可以根据实际需要进行设定，优选地，所述绝缘层2的厚度可以为1-1000nm，更为优选地，本实施例中，所述绝缘层2的厚度为100nm。
综上，本发明的纳米二极管不仅具有高功率和高频率响应优势，且同时具备低功耗、便于集成化的优点，符合未来集成电路的发展需求，有望应用在太赫兹、低功耗等领域纳米二极管，能够解决现有技术中真空二极管在体积、能耗以及集成化方面的不足以及半导体二极管在随着摩尔定律的发展缩小至纳米尺度后，面临尺寸缩小所带来的漏电加剧、热耗散困难等问题。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (12)

1.一种纳米二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：制备第二电极层：在衬底上处理第二电极材料形成第二电极层；
S2：制备绝缘层：在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面上处理绝缘材料形成绝缘层；
S3：制备第一电极层：在所述绝缘层远离所述第二电极层一侧的表面上处理第一电极材料形成第一电极层；
S4：采用热磷酸或氢氟酸组成的湿法腐蚀液去除所述绝缘层中靠近所述第一电极层的一侧无所述第一电极层遮挡的绝缘层，以使所述绝缘层不完全填充所述第一电极层和所述第二电极层之间的空间，其中，所述第一电极层和所述第二电极层之间未被填充的空间的横向面积分别小于所述第一电极层和所述第二电极层的横向面积，且未被填充的空间的高度为绝缘层厚度；所述第一电极层和所述第二电极层均为平面结构，且其中一个为电子的发射极，另一个为电子的接收极，所述第一电极层和所述第二电极层之间未被填充的空间为导电通路。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在衬底上处理第二电极材料形成第二电极层，包括在衬底上采用沉积工艺、光刻工艺、干法工艺和湿法刻蚀工艺处理第二电极材料，形成第二电极层；
步骤S3中，在所述绝缘层远离所述第二电极层一侧的表面上处理第一电极材料形成第一电极层，包括在绝缘层的表面上采用沉积工艺、光刻工艺、干法工艺和湿法刻蚀工艺处理第一电极材料，形成第一电极层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的制备方法均包括物理气相沉积法，化学气相沉积法，电子束蒸发和分子束外延法。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极材料为硅、金属、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种，所述第二电极材料为硅、金属、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在所述第二电极层远离所述衬底一侧的表面上处理绝缘材料形成绝缘层，包括在第二电极层的表面上采用氧化工艺、沉积工艺、光刻工艺和刻蚀工艺处理绝缘材料，形成绝缘层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的制备方法包括物理气相沉积法和化学气相沉积法。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的制备方法制备的纳米二极管，其特征在于，包括第一电极层、绝缘层和第二电极层，所述绝缘层位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的空间内，所述绝缘层不完全填充所述第一电极层和所述第二电极层之间的空间；
所述第一电极层和所述第二电极层均为平面结构，所述第一电极层和所述第二电极层中一个为电子的发射极，另一个为电子的接收极，所述第一电极层和所述第二电极层之间未被填充的空间为导电通路；
所述第一电极层和所述第二电极层之间未被填充的空间的横向面积分别小于所述第一电极层和所述第二电极层的横向面积，且未被填充的空间的高度为绝缘层厚度。
8.根据权利要求7所述的纳米二极管，其特征在于，所述绝缘层的绝缘材料包括氧化硅、氧化铝、氮化硅或二氧化铪中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的纳米二极管，其特征在于，所述绝缘层的厚度为1-1000nm。
10.根据权利要求7所述的纳米二极管，其特征在于，还包括衬底，所述第二电极层设置在所述衬底上。
11.根据权利要求10所述的纳米二极管，其特征在于，所述衬底为半导体、金属或玻璃中的一种材料。
12.一种集成电路，其特征在于，所述集成电路包括权利要求7-11任意一项所述的纳米二极管。
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CN1058294A (zh) * 1990-07-18 1992-01-29 国际商业机器公司 集成真空微电子器件的结构与制造方法
CN107528001A (zh) * 2017-08-31 2017-12-29 清华大学 一种纳米二极管的制备方法和纳米二极管
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