CN115579400A - 一种基于冷金属的冷源二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种基于冷金属的冷源二极管结构。所述冷源二极管结构的一侧为冷金属区域，另一侧为半导体区域，所述冷金属区域和所述半导体区域相接触；所述冷金属区域采用具有冷金属性质的材料。本发明提供的基于冷金属的冷源二极管结构能够实现理想因子低于1的电流电压特性，实现极低的二极管开启电压，降低二极管的功耗。还可以实现很好的负微分电阻效应，可以用来实现多值逻辑，降低电路的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种基于冷金属的冷源二极管结构。
背景技术
随着集成电路规模的不断扩大，功耗是现代CMOS技术的一大挑战，因此，半导体工业的发展迫切需要节能的器件，二极管是集成电路中的重要元件，有着广泛的应用，如整流器、限流器、选择器等。二极管作为一种广泛应用的电子器件，往往存在关态电流较大和开启电压较高的问题，从而导致了非常严重的功耗问题，在传统的器件结构中，室温下二极管的理想因子总会大于1，极大地限制了二极管的关断和开启，阻碍了电压和功耗的进一步降低。
传统二极管存在的一个理想因子大于1的热电子发射开关极限，极大地限制了器件的开启电压和功耗，因此需要探索新的材料和新的器件结构来改善二极管的性质。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于冷金属的冷源二极管结构。本发明提供的基于冷金属的冷源二极管结构能够实现理想因子低于1的电流电压特性，实现极低的二极管开启电压，降低二极管的功耗。还可以实现非常良好的负微分电阻效应，可以用来实现多值逻辑，降低电路的复杂度。
本发明提供的基于冷金属的冷源二极管结构，所述冷源二极管结构的一侧为冷金属区域，另一侧为半导体区域，所述冷金属区域和所述半导体区域相接触；所述冷金属区域采用具有冷金属性质的材料。本发明利用冷金属性质即具有独特的能带结构，在它的中间能带与导带底、价带顶之间存在带隙，利用该特殊的能带结构能够在二端器件当中实现低功耗的二极管。目前低功耗领域主要使用的二极管是肖特基二极管，肖特基二极管采用普通金属和半导体形成接触，相比于一般的PN结二极管拥有更低的开启电压，因此在存储阵列当中可以用作选通管，而本发明所构建的冷金属-半导体异质结冷源二极管，该结构能够实现0.2V～0.5V的开启电压，相对于肖特基二极管拥有更大的优势，可以大大的降低选通器件带来的功耗。同时在本发明所构建的结构中对其中的半导体部分进行掺杂之后，器件也可以实现非常良好的负微分电阻效应，也就是说随着电压的增大电流反而出现了很大的下降，本发明实现了超过105的电流下降比例，有这种效应的器件可以用来实现多值逻辑，降低电路的复杂度。
作为优选，所述具有冷金属性质的材料为冷金属材料，优选为二维冷金属材料和/或三维冷金属材料。
进一步优选，所述冷金属材料为2H相的二维冷金属材料或三维冷金属材料。
进一步优选，所述二维冷金属材料选自NbS2、NbSe2、NbTe2、TaS2、TaSe2或TaTe2，所述三维冷金属材料选自Nb2(PO4)3、TiCoO3或Ce2TeO2。
作为优选，所述半导体区域选用的半导体材料为一维半导体材料或二维半导体材料或三维半导体材料。
进一步优选，所述一维半导体材料包括InAs纳米线或β-Ga2O3纳米线等材料，所述二维半导体材料包括MoS2、MoSe2、WS2或WSe2等材料；所述三维半导体材料包括Si或Ge等材料。
作为优选，所述二维冷金属材料与所述一维半导体或二维半导体或三维半导体材料形成冷源二极管结构；所述三维冷金属材料与所述一维半导体或二维半导体或三维半导体材料形成冷源二极管结构。
进一步优选，所述二维冷金属材料与所述二维半导体材料形成冷源二极管结构；所述三维冷金属材料与所述三维半导体材料形成冷源二极管结构。
进一步优选，所述半导体材料为未掺杂半导体材料或掺杂半导体材料；优选的，所述掺杂半导体材料采用P型掺杂或N型掺杂，优选为P型重掺杂。
进一步优选，所述冷源二极管结构设有两个接触电极；优选的，一个接触电极设在所述冷金属区域的一端，另一个接触电极设在所述冷金属区域的一端。
进一步优选，所述冷源二极管结构的开启电压为0.2V～0.5V，所述冷源二极管结构在0.1～0.3V的理想因子n低于1，和/或，所述冷源二极管结构具有负微分电阻效应。
本发明的有益效果至少在于：本发明提供的基于冷金属的冷源二极管结构，相对于一般的二极管能实现非常低的开启电压；同一个器件结构当中还可以实现负微分电阻效应，增大了器件的使用范围；而且器件主体可以选用多种材料，制备方便，实际应用的潜力很大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图作简单介绍，显而易见，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他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于冷金属的冷源二极管结构示意图；
图2为本发明实施例提供的冷源二极管工作原理示意图；
图3为本发明实施例提供的冷源二极管低电压下态密度及电流密度图；
图4为本发明实施例提供的冷源二极管高电压下态密度及电流密度图；
图5为本发明实施例提供的冷源二极管电流电压特性图；
图6为本发明实施例提供的冷源二极管电流电压特性图；
图7为本发明实施例提供的具有负微分电阻效应的冷源二极管结构图；
图8为本发明实施例提供的冷源二极管负微分效应电流电压特性图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动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。
实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”与“第二”等是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“内”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明一些实施例提供的基于冷金属的冷源二极管结构，所述冷源二极管结构的一侧为冷金属区域，另一侧为半导体区域，所述冷金属区域和所述半导体区域相接触；所述冷金属区域采用具有冷金属性质的材料。本发明利用冷金属性质即具有独特的能带结构，在它的中间能带与导带底、价带顶之间存在带隙，利用该特殊的能带结构能够在二端器件当中实现低功耗的二极管。目前低功耗领域主要使用的二极管是肖特基二极管，肖特基二极管采用普通金属和半导体形成接触，相比于一般的PN结二极管拥有更低的开启电压，因此在存储阵列当中可以用作选通管，而本发明所构建的冷金属-半导体异质结冷源二极管，该结构能够实现0.2V～0.5V的开启电压，相对于肖特基二极管拥有更大的优势，可以大大的降低选通器件带来的功耗。同时在本发明所构建的结构中对其中的半导体部分进行掺杂之后，器件也可以实现非常良好的负微分电阻效应，也就是说随着电压的增大电流反而出现了很大的下降，本发明实现了超过105的电流下降比例，有这种效应的器件可以用来实现多值逻辑，降低电路的复杂度。
本发明的一些实施例，所述具有冷金属性质的材料为冷金属材料，优选为二维冷金属材料和/或三维冷金属材料。本发明优选采用的冷金属材料的中间能带与导带底、价带顶之间存在带隙；优选所述冷金属材料为中间能带与导带底、价带顶之间分别存在带隙ECG和带隙EVG，带隙ECG和带隙EVG所在的能量区域态密度为0的二维冷金属材料或三维冷金属材料。本发明提供的基于冷金属的冷源二极管结构能够在原理上突破限制，实现理想因子低于1的电流电压特性，实现极低的二极管开启电压，降低二极管的功耗，同时，在本发明所构建的结构中对其中的半导体部分进行掺杂之后，器件可以实现非常良好的负微分电阻效应，有这种效应的器件可以用来实现多值逻辑，降低电路的复杂度。
作为优选示例，所述冷金属材料为2H相的二维材料或三维冷金属材料。
作为优选示例，所述二维冷金属材料选自NbS2、NbSe2、NbTe2、TaS2、TaSe2或TaTe2，优选NbS2、NbSe2、TaS2或TaSe2，所述三维冷金属材料选自Nb2(PO4)3、TiCoO3或Ce2TeO2。本发明中，当采用上述特定的二维/三维冷金属材料的冷源二极管结构的开启性能更佳，尤其是开启电压，相对于普通二极管极低。
作为优选实施例，所述半导体区域选用的半导体材料为一维半导体材料或二维半导体材料或三维半导体材料。
作为优选示例，所述一维半导体材料为InAs纳米线或β-Ga2O3纳米线；所述二维半导体材料为MoS2、MoSe2、WS2或WSe2；所述三维半导体材料为Si或Ge。本发明中，当采用上述二维/三维半导体材料与所述二维/三维冷金属材料进行接触，在晶格匹配较好时所形成的异质结二极管性能更佳，选用晶格匹配好的材料可以减少应力，提高结构稳定性。
在一些具体实施例中，所述二维冷金属材料与所述一维半导体或二维半导体或三维半导体材料形成冷源二极管结构；所述三维冷金属材料与所述一维半导体或二维半导体或三维半导体材料形成冷源二极管结构。本发明中优选二维冷金属与二维半导体形成二极管，三维冷金属与三维半导体形成二极管，能够有更高的工艺兼容性以获得更好的性质。
作为优选实施例，所述半导体材料为未掺杂或掺杂的半导体材料。本发明中当半导体材料为未掺杂的半导体材料(二维半导体材料或三维半导体材料)时，得到的冷源二极管结构的开启电压为0.2V～0.5V，在0.1V～0.3V的理想因子n低于1。当半导体材料为掺杂的半导体材料时，冷源二极管结构调整掺杂后具有负微分电阻效应，在一般的结构当中即能够实现超过105的电流峰/电流谷比值。
作为优选实施例，当半导体材料为掺杂的半导体材料时，所述掺杂半导体材料可以采用本领域中的P型掺杂/N型掺杂，掺杂方式及浓度等可根据不同半导体材料进行调整，优选的，本发明为P型重掺杂。
作为优选实施例，所述冷源二极管结构设有两个接触电极；优选的，一个接触电极设在所述冷金属区域的一端，另一个接触电极设在所述冷金属区域的一端。
作为优选实施例，所述冷源二极管结构的开启电压为0.2V～0.5V，所述冷源二极管结构在0.1V～0.3V的理想因子n低于1，所述冷源二极管结构调整掺杂之后具有负微分电阻效应，在一般的结构当中可以实现超过105的电流峰/电流谷比值。
下面结合图1-8描述本发明实施例的基于冷金属的冷源二极管结构。具体的，本发明实施例提供的冷源二极管结构，一侧采用具有所述能带结构的冷金属材料，另一侧采用普通的半导体材料，结构如图1所示：在该结构中：1是冷金属(区域)，可以选用的材料包括：2H相的NbS2、NbSe2、TaS2、TaSe2等二维冷金属材料，Nb2(PO4)3、TiCoO3、Ce2TeO2等三维冷金属材料，2是半导体(区域)，材料是MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等具有普通半导体特性的二维材料，或Si，Ge等典型三维半导体材料，为了获得更好的性质，以及更高的工艺兼容性，二维冷金属一般与二维半导体形成二极管，三维冷金属与三维半导体形成二极管共有两个接触电极，分别在1区左端和2区右端。本发明实施例中的冷源二极管结构，冷源二极管结构的一侧为冷金属区域，另一侧为半导体区域，冷金属区域和半导体区域相接触，具体的冷金属-半导体采用NbS2-MoS2，NbSe2-MoSe2，TaS2-WS2，TaSe2-WSe2；其中的NbS2、NbSe2、TaS2、TaSe2为2H相的二维冷金属材料。本发明实施例中冷源二极管结构设有两个接触电极，一个接触电极设在冷金属区域的一端，另一个接触电极设在冷金属区域的一端。
本发明提供的器件的主要原理如图2所示，所述冷金属材料的中间能带与导带底、价带顶之间存在带隙ECG、EVG，这些带隙所在的能量区域态密度为0。因为这种特殊性质的存在，在这些带隙所在的能量区域随电压增大冷源二极管电流并不会变化，会保持一个比较低的关态电流，只有当冷金属的费米能级所在的几条连续的能带的边缘靠近半导体的导带边或者价带边时，才会有导电通路的产生，这样一种从0->0->1的电流变化相对于普通二极管从0->1/2->1的电流变化，使得冷源二极管能够在很小的一个能量区域内实现非常大的电流变化，从而达到低开启电压的效果。
本发明具体实施例中，NbSe2-MoSe2在Vd＝0.01V(关态)的局域态密度和电流随能量分布如图3所示。NbSe2-MoSe2在Vd＝0.30V(开态)的局域态密度和电流随能量分布如图4所示。在Nanodcal中仿真得到的几种结构的Id-Vg曲线如下，四根曲线分别对应了四种材料组合的电流电压特性，如图5所示。
本发明实施例提供的器件在0.1V都出现了理想因子n低于1的情况，与上面的态密度图相对应，器件能够在0.3V不到的电压变化范围内实现大约10个数量级电流的变化，展现出了非常好的开关特性。
四种材料组合对应的整流特性如图6所示，在低偏压以及反向偏压时有较小的泄露电流，而在大的正向偏压时有较大的开态电流，展现出了良好的整流特性，可以在电路当中用作整流器件。
本发明实施例提供的器件除了可以作为二极管以外，还可以通过适当的掺杂实现负微分电阻效应，图7示出了具有负微分电阻效应的冷源二极管结构，在区域2的半导体区域进行重掺杂(TaS2-WS2中掺杂浓度为7.8×1012/cm2，NbS2-MoS2中掺杂浓度为9.2×1012/cm2，NbSe2-MoSe2中掺杂浓度为1.1×1013/cm2，TaSe2-WSe2中掺杂浓度为1.0×1013/cm2)使得费米能级进入到价带顶附近，使得零栅压下冷金属中间能带的部分与半导体的价带有交叠，低栅压下因为有导电通路的存在就会出现比较大的电流，但随着电压的增大，半导体的价带顶会对应到冷金属中间能带和价带顶之间的带隙EVG，冷金属的中间能带会对应到半导体的禁带，无法形成导电通路，从而导致电流迅速下降，形成一个比较大的峰谷电流比，根据理论计算，这样一种冷金属-重掺杂半导体的结构可以形成超过105的电流比，在TaS2-WS2的结构当中，形成的电流比达到了1.5x106，高于大部分器件中所出现的NDR效应的电流比(NbS2-MoS2为7.2x105，NbSe2-MoSe2为1.7x105，TaSe2-WSe2为1.6x105)，具体的电流特性如图8所示，在拥有较大PVR的同时还有更佳的峰值电流，这样一个比较好的电流特性能更好地被利用到多值逻辑器件当中，提高电路的效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述冷源二极管结构的一侧为冷金属区域，另一侧为半导体区域，所述冷金属区域和所述半导体区域相接触；所述冷金属区域采用具有冷金属性质的材料。
2.根据权利要求1所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述具有冷金属性质的材料为冷金属材料，优选为二维冷金属材料和/或三维冷金属材料。
3.根据权利要求2所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述冷金属材料为2H相的二维冷金属材料或三维冷金属材料。
4.根据权利要求2或3所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述二维冷金属材料选自NbS2、NbSe2、NbTe2、TaS2、TaSe2或TaTe2，所述三维冷金属材料选自Nb2(PO4)3、TiCoO3或Ce2TeO2。
5.根据权利要求2-4任一项所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述半导体区域选用的半导体材料为一维半导体材料或二维半导体材料或三维半导体材料。
6.根据权利要求5所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述一维半导体材料包括InAs纳米线或β-Ga2O3纳米线，二维半导体材料包括MoS2、MoSe2、WS2或WSe2；所述三维半导体材料包括Si或Ge。
7.根据权利要求6所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述二维冷金属材料与所述一维半导体或二维半导体或三维半导体材料形成冷源二极管结构；所述三维冷金属材料与所述一维半导体材料或二维半导体或三维半导体材料形成冷源二极管结构。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述半导体材料为未掺杂半导体材料或掺杂半导体材料。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述冷源二极管结构设有两个接触电极；优选的，一个接触电极设在所述冷金属区域的一端，另一个接触电极设在所述半导体区域的一端。
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于冷金属的冷源二极管结构，其特征在于，所述冷源二极管结构的开启电压为0.2V～0.5V，所述冷源二极管结构在0.1V～0.3V的理想因子n低于1，和/或，所述冷源二极管结构调整掺杂之后具有负微分电阻效应。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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