CN1352466A - 用聚焦离子束制造的具有超微结构的电子和光子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及器件,每个器件具有利用聚焦离子束(FIB)形成的超微结构。在许多情况下,该结构具有自立于衬底上的板的形状。尽管根据本发明的器件的典型例子是场效应晶体管和激光二极管,但本发明并不限于这些器件。根据本发明的场效应晶体管和激光二极管具有新的功能或改进的性能。

Description

用聚焦离子束制造的具有超微结构的电子和光子器件
技术领域
本发明涉及通常的具有新功能或改进特性的电子和光子器件，特别是利用聚焦离子束制造的器件。
背景技术
通过使器件的主要部分更小，来改善多种电子和光子器件的特性。例如，图1示意性地示出了金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)100。在该图中，通过减小沟道101的长度102，来增加MOSFET的工作速度。另外，通过减小制作的每个器件的面积，来增加每单位面积的集成度。因此，为了改进各种器件的性能，已经在不断努力减小它们的尺寸，但存在减小器件尺寸的限制。例如，在沿着图1所示的表面例如源103和漏104延伸的器件中，如果源和漏制作得更浅，源和漏的电阻会增加。另一方面，还存在增加源103和漏104的深度的限制，因为在掺杂剂从表面导入的深度方面存在技术限制。此外，对于减小沟道长度以便防止伴随着微型化出现的短沟道现象方面也存在局限性。这样如果形成的器件具有沿着表面例如MOSFET的源或漏延伸的结构，器件的元件的深度受到严格的限制。具体地说，在MOSFET中，根据具体的应用，例如用于电源，来增加所选择的源和漏的深度范围是非常有利的。
图2示意性地示出了激光二极管200的主要部分。在该图中，包含激光二极管的谐振腔的有源区201是发射光的部分，而覆盖层202和203是限制载流子和光的层。
根据激光二极管的理论，要求有源区201的厚度204要小，例如0.2μm。因为厚度是半导体层的厚度，因此得到这样的厚度相对容易。降低有源区201的宽度205是有利的，因为通过降低有源区201的宽度205，将增加电流密度，降低激光振荡的阈值。一种降低有源区201宽度205的方法是通过例如离子注入使环绕有源区201的区域呈高电阻，并限制通过该区域的电流流动。图3显示了利用这种方法形成的激光二极管300的例子。由于载流子的大部分在与高阻区的界面区附近被消灭(killed)，因此该方法有一个缺点是，激光二极管的效率降低，激光振荡的阈值增加。载流子被消灭的原因是，高阻区包含由离子注入产生的高密度缺陷。因此，需要一种不使用离子注入，可以使有源区201的宽度205更小的方法。
目前尚无有关一种激光二极管具有其有源区201的宽度205受电学控制的功能的报道。如果有源区201的宽度205可以受电学控制，就可以在不改变激光振荡所需电流的情况下，调制激光的幅度。因此，希望得到一种可以在不改变激光电流的情况下，电控制有源区的宽度的激光二极管。进而还希望用电压而不是用电流来控制有源区的宽度。
发明内容
本发明涉及每个器件都具有利用聚焦离子束(FIB)形成超微结构的器件。在大多数情况下，该结构具有自立在衬底上的板的形状。尽管根据本发明的器件的典型例子是场效应晶体管和激光二极管，但本发明并不限于这些器件。
附图说明
图1示意性地显示了根据先有技术的MOS场效应晶体管。
图2示意性地显示了根据先有技术的激光二极管。
图3示意性地显示了根据先有技术的激光二极管，其中有源区的宽度减小了。
图4示意性地显示了根据本发明的板结构。
图5示意性地显示了包含根据本发明的板结构的MOSFET。
图6示意性地显示了包含根据本发明的板结构的另一个MOSFET。
图7示意性地显示了包含根据本发明的板机构的激光二极管。
图8示意性地显示了包含根据本发明的板结构的另一个激光二极管，在板结构的侧表面上形成了绝缘膜和在绝缘膜上形成了电极。
图9示意性地显示了根据本发明具有弯曲表面的板结构。
图10示意性地显示了包含多个根据本发明的板结构的激光二极管。
图11示意性地显示了根据本发明分为多个部分的板结构。
具体实施方式
通过下面对具体实施例的详细描述将全面理解本发明。
首先，显示本发明的一般概念。图4示意性地显示了根据本发明作为器件的一部分的基本的板结构410。图4a显示了制造前的半导体晶片402，它根据要形成的器件可以包括多个层。通过除去图4a中用阴影部分表示的区403和404，形成图4b所示的自立的板结构410。可以利用聚焦离子束通过物理蚀刻进行所谓的除去。聚焦离子束包括例如在诸如20kV的高压下加速的镓离子。可以使板结构410的厚度405非常小，例如小于100nm。尽管在上面所示的实施例中蚀刻了板结构的两个侧面，但也可以根据根据实际情况只蚀刻一个侧面。
图5示意性地显示了MOSFET 500，包含图4b所示的板结构510。在图5中，在板结构510的上表面上506上形成了栅绝缘膜505，在栅绝缘膜505上形成了栅极507。在垂直于衬底的两个表面508和509上形成了源503和漏504。通过在栅极上施加电压，沿着栅绝缘膜形成沟道，并且也通过该电压控制沟道的深度。
在实施例中，板结构510由硅制成，栅绝缘膜505由二氧化硅制成，栅极507由铝构成。源极503和漏极504由金构成。利用0.1μm直径、20kV加速的镓离子束，通过蚀刻形成上述板结构510。该板结构的厚度为100nm。因此，沟道的长度为100nm，这样的长度在目前是最短的。该MOSFET作为“高速器件”非常实用。
图6示意性地显示了根据本发明另一个实施例的MOSFET 600，它也包含图4(b)所示的板结构610。在板结构610的两侧表面608和609上形成了绝缘膜605a，605b。该绝缘膜是MOSFET的栅绝缘体。在每个栅绝缘膜605a，605b上形成栅极607a，607b。尽管能够在不连接的情况下分别对栅进行控制，但还是将栅极607a，607b电连接。在板结构610的上表面606上形成了源603。在半导体晶片的下表面611上形成了漏极604。在这种情况下，在下表面上形成了漏极，但漏极也可以形成在板结构的基部中或形成在衬底中，当MOSFET是增强型MOSFET时，通过给栅极加偏压，沿着栅绝缘体在表面区中形成了MOSFET 600的一个或多个沟道。当MOSFET是耗尽型MOSFET时，所述板形成了沟道。在两种情况下都是通过施加给栅极的电压来控制沟道的宽度。
在实施例中，板结构610由硅制成，栅绝缘膜605a，605b由二氧化硅制成，栅极607a，607b由铝制成。源极603和漏极604由金制成。利用0.1μm直径、20kV加速的镓离子束，通过蚀刻形成上述板结构610。该板结构610的厚度601为600nm。当半导体是硅时，通过给栅极607a，607b施加电压，反型区和耗尽区都从板结构610和绝缘膜605a，605b的界面延伸至大于300nm的深度。它们从板结构610的两个侧面608，609延伸。因此，实施例中沟道的宽度为0-600nm。可以根据具体应用选择沟道的深度，即垂直于沟道的宽度并沿着源603的长度。例如，如果需要流过更大的电流，则选择更大的深度。因此，该MOSFET作为电源使用的MOSFET非常实用。
根据本发明的板结构可以用于许多器件，包含CMOS器件和绝缘体上的半导体(SOI)器件。用该结构来形成包含激光二极管和发光二极管的光子器件也是有利的。包含根据本发明的板结构的器件具有新的功能或改进的特性。
图7示意性地示出了根据本发明第三实施例的激光二极管700，它包含自立于衬底上的板结构710。在图中，有源区701由厚0.2μm的镓砷(GaAs)构成，覆盖层702和703由铝镓砷(Al0.2Ga0.8As)构成。分别在上表面704和下表面706上形成了电极705和707。如本领域技术人员所公知的，除了有源区701和覆盖层702和703之外，在激光二极管700中包含各种层。例如，包含促进电极形成的层和减少缺陷的缓冲层。由于对于说明本发明来说它们不是主要的，因此这里没有给出详细的描述。为了保护表面，利用合适的材料例如介质膜来覆盖板结构710的两个侧面是有利的。
图8示意性地显示了根据本发明第四实施例的另一种激光二极管800。该激光二极管800包含形成在两个侧表面720和721上的绝缘膜722和723。另外，电极724和725分别形成在绝缘膜722和723上。当给电极施加电压时，反型区730和731延伸到有源区701。因此，有源区701的宽度降低了。即，可以通过施加给电极的电压来控制宽度。可以用这种现象来调制由激光二极管800产生的光强度。
在图8所示的实施例中，尽管电极724和725形成在绝缘膜722和723上，如果金属膜与形成有源区701和覆盖层702及703的半导体形成肖特基接触，金属膜也可以直接形成在半导体的侧表面720和721上。
在实施例中，绝缘膜由氮化硅构成，电极由铝形成。
在上述实施例中，尽管已经显示的板结构具有互相平行的表面，但它们可以有弯曲的表面。图9示意性地显示了这种结构的例子。
此外，尽管上面所示的器件只包含一个板结构，也可以形成包含多个板结构的器件。图10显示了这种器件的例子。图中，显示的激光二极管1000包含多个图8所示激光二极管800，使得每个激光二极管的一个端部是相接的，形成指状结构。绝缘膜例如1022形成在每个指1010的侧表面上，电极例如1024形成在绝缘膜上。通过施加给每个指上的电极的电压，可以控制从每个激光二极管发射的激光。
此外，利用聚焦离子束，可以沿长度方向分割板结构。图11示意性地显示了这种结构2000的例子。可以形成每个区，使得该区中的电子量子化。即，该区是所谓的“量子箱”。利用这种量子箱，将会实现具有新功能或改进的特性的器件。例如，期望一种利用量子点(dots)的新激光二极管。然而，通过以前报道的技术来精确地控制量子点的形状和大小是困难的。另一方面，对于根据本发明的器件来说，可以精确地并且可重复地控制量子箱的形状和尺寸。
应理解上述实施例只是说明性地例举了许多可能的具体实施例中的少数几个，它们可以代表本发明的应用。在不背离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以作出许多变化的其它安排。

Claims (15)

1.一种电子和光子器件，具有利用聚焦离子束通过蚀刻形成的超微结构。
2.一种电子器件，具有利用聚焦离子束通过蚀刻形成的半导体材料的超微结构。
3.一种场效应晶体管，形成在利用聚焦离子束制造的微板结构上，其中通过所述板结构的厚度、宽度或高度来控制沟道长度或/和沟道宽度。
4.根据权利要求3的场效应晶体管，其中所述板结构在每个侧表面上至少具有一个电极，沟道形成在所述电极之间。
5.一种场效应晶体管，形成在利用聚焦离子束制造的微板结构上，该晶体管还包括：
在所述板结构的一个或两个侧表面上的绝缘膜；
形成在所述板结构的所述至少一个侧表面上的所述绝缘膜上的至少一个电极；
分别形成在所述板结构的上和下表面上的电极；和
在上和下表面上的所述电极之间，沿着所述侧表面形成的至少一个沟道。
6.根据权利要求5的场效应晶体管，其中通过在所述侧表面上的所述至少一个电极上施加的电压，控制所述沟道的宽度。
7.一种光子器件，具有利用聚焦离子束通过蚀刻形成的微板结构。
8.一种激光二极管，具有利用聚焦离子束通过蚀刻形成的微板结构，该微板结构包含至少一个有源区和至少一个覆盖层。
9.根据权利要求8的激光二极管，其中通过所述板结构的宽度限定所述有源区的宽度。
10.一种激光二极管，包括：
利用聚焦离子束通过蚀刻形成的微板结构；
在所述板结构中的至少一个有源区和至少一层覆盖层；
在所述板结构的上和下表面上形成的电极；和
在所述板结构的至少一个侧表面上的电极。
11.根据权利要求10的激光二极管，其中在所述至少一个侧表面上的所述电极与所述有源区和所述覆盖层形成肖特基接触。
12.一种激光二极管，包括：
利用聚焦离子束通过蚀刻形成的微板结构；
在所述板结构中的至少一个有源区和至少一个覆盖层；
在所述板结构的上和下表面上形成的电极；
在所述板结构的至少一个侧表面上的至少一个绝缘膜；和
在所述至少一个绝缘膜上的电极。
13.根据权利要求10、11或12的激光二极管，其中通过在所述至少一个侧表面上的所述至少一个电极上施加的电压，控制从所述激光二极管发射的光强度。
14.一种器件，具有利用聚焦离子束蚀刻分割板结构而形成的结构，该板结构是利用聚焦离子束通过蚀刻形成的。
15.根据权利要求14的器件，其中所述分割结构中的电子被量子化。
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