CN1516917A - 电子隧道效应器件 - Google Patents

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布莱克·J·埃里亚森
��Ħ�¶�
加瑞特·摩德尔
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Abstract

一种电子隧道效应器件，包括：彼此隔开的用于接收能量的第一和第二导电层；和设置在第一和第二导电层之间并且用于在所述第一和第二导电层之间传输电子的装置，所述装置包括第一材料层，和第二材料层，第二材料层与所述第一材料层相配合，使得电子传输至少部分地包括借助于隧道效应的传输。

Description

电子隧道效应器件
关于联邦政府资助研究的声明
根据DARPA颁发的合同号DAAG55-98-C-0036，美国政府和美国军队研究所拥有对本发明的权利。
背景技术
本发明总的来说涉及光电器件，更具体地说，涉及电子隧道效应器件，尤其是用于太阳能转换的电子隧道效应器件。再具体地说，本公开描述了一种用于太阳能转换的金属-氧化物电子隧道效应器件。
近来的能源危机已经使对常规能源(例如气体和电力)的需求日益突出。随着能源耗费的增加，希望找到替代的能源以扩增常规能源例如水力发电和热核反应等。太阳能转换通过接进容易获取的太阳能从而提供了这种替代物。
阻碍太阳能转换系统发展的一个主要障碍是效率。目前可以获得的半导体太阳能电池系统不能提供常规能源可以提供的功率量(元)。尤其是具有高能量转换效率(入射的太阳能与输出的电能之比)的半导体太阳能电池非常昂贵。大部分太阳能电池系统基于半导体技术，难以规划到大的太阳能面板所需的尺寸。利用该技术制造大得足以代替常规能源的半导体基太阳能面板是非常昂贵的。此外，半导体器件通常是单禁带能量器件。半导体器件的这种特性意味着当能量小于禁带能量的光子入射到半导体器件上时不产生电流，当能量比禁带能量大的光子入射在半导体器件上时，在半导体器件中仅产生与禁带能量对应的电流。换句话说，半导体器件的响应受禁带能量的限制。因此，半导体器件根本不响应能量小于禁带能量的光子，并且入射的超过禁带能量的电磁能量在能量转换中被浪费掉了。因此，半导体器件的能量转换效率低，大约25％或者更低。因此，希望利用除了半导体之外的其它材料实现有效的太阳能转换。
一种可以代替半导体的选择方案是使用金属-绝缘体-金属(MIM)结构1-6。与半导体基体系相比，制造该MIM结构相对便宜。通常使用金属的自然氧化物作为绝缘体材料，因此，这种MIM结构易于制造。近来甚至到1998年(参见参考文献6)都在努力改进MIM器件的性能，而根本没有修改基本的MIM结构。近来在该领域的探索包括力求使用MIM结构可能地提供能够在光通讯波长并在光学频率下检测和混合信号的器件。
现在参见附图，在各个附图中相同的部件用相同的附图标记表示，首先参见图1A-1E。为了参考，图1A-1E示出了MIM器件的工作情况。作为简化的结构，图1A示出了MIM器件。通常用附图标记10表示的MIM器件分别包括第一和第二金属层12和14，绝缘体层16位于两个金属层之间。图1B示出了相应的能带分布20。能带分布20表示在没有给器件提供电压的情况下金属中费米能级的高度和绝缘体中导带边缘的高度，(y轴22)，其中这些高度都是经过MIM器件10的距离(x轴24)的函数。图1C示出了当给MIM器件10提供相反方向的电压时的第一修改的能带分布30。例如，可以通过施加的外部电压或者由于入射的电磁能量而感应的电压来提供电压。在这种情况下，可以在由箭头36表示的相反方向上出现电子隧道效应(未示出)。相比较而言，如图1D所示，当给MIM器件10提供正向电压时，产生了第二修改的能带分布40。在图1D所示的情况下，电子隧道效应会出现在正向，即由箭头46表示的方向上。图1E示出了对于MIM器件10来说电流(y轴52)作为电压(x轴54)的函数的典型I-V曲线50。I-V曲线50表明，该MIM器件起整流元件的作用。MIM器件利用第一和第二金属层12和14之间的电子隧道效应提供了整流和能量检测/转换。
继续参考图1A-1E，在能量转换应用中，进一步希望在电流-电压性能(I-V曲线)中获得高度的非对称性和非线性以及足够高的电流。如果电流太小，将不能高效地收集入射的电磁能量。所需要的电流大小是MIM器件的几何形状、氧化物的介电性能和入射的电磁能量子的尺寸和数量的函数。关于工作点，I-V曲线中V的正值(前置偏压)和V的负值(反置偏压)之间的较高程度的非对称导致器件具有更好的整流性能。此外，影响器件对入射电磁能量的响应性和耦合效率的器件的动态电阻与I-V曲线的非线性直接相关。需要动态电阻的最佳值以便使MIM器件与天线电抗匹配，导致给器件传输最大功率。对于能量转换应用来说，MIM器件的动态电阻经常太大，因此希望降低动态电阻值以便与天线电抗匹配。换句话说，在太阳能转换中，希望具有较高程度的I-V曲线非线性和器件的动态电阻的最佳值，由此使器件对入射太阳能具有较高的灵敏度。结果，器件的电流-电压特性的高度非对称性和非线性在能量转换过程中产生了高效率。目前可以获得的MIM器件在电流-电压性能中不能够提供足够高的非对称性和非线性以及足够低的动态电阻，因此，MIM器件的能量转换效率低。
已知代替这种简单MIM器件的一种器件是具有附加的金属和绝缘体层的器件，如Suemasu等人的文章(Suemasu)7和Asada等人的文章(Asada)8中描述的。所述的Suemasu和Asada的器件具有MIMIMIM结构，其中外金属层之间的三个绝缘体层作为三阻挡结构。该绝缘体层是通过在参考7中详细描述的外延生长工序形成的结晶的绝缘体层。与MIM器件的简单隧道效应相反，在适当的偏压条件下，在外金属层之间存在的阻挡层导致在外金属层之间产生电子谐振隧道效应。对于MIMIMIM器件来说，电子传输中的谐振隧道效应机理产生增加的非对称性和非线性以及减小的动态电阻值。该谐振隧道效应还导致器件的电流-电压曲线中特有的谐振峰，产生负动态电阻区并且使具有非常快的响应和高效率的光学器件成为可能。
然而，Suemasu和Asada的MIMIMIM器件具有比简单MIM器件复杂得多的明显缺点。Suemasu的制造工序包括淀积钴、硅、和氟化钙以便形成CoSi2和CaF2的交替层。由于外延生长工序中固有的晶格匹配限制，因此选择这些适当的外来层材料。参考文献7中描述了制造工序中的几个难题，例如CaF2层上钴的结块问题以及生长MIMIMIM层之后需要多次光刻和选择蚀刻步骤以便形成最后器件的问题。Suemasr还主张使用三阻挡结构，而不是稍简单的双阻挡结构，以便仅利用金属和绝缘体层的组合实现由谐振隧道效应产生的负动态电阻，由此避免使用半导体材料。此外，Suemasu要求必须严格将各个金属和绝缘体层的厚度控制到原子层水平，以便得到谐振隧道效应效果。因此，尽管在Suemasu和Asada的MIMIMIM器件中利用金属和绝缘体的组合可以实现增加的非线性和非对称性，但缺少MIM结构的简单性。
曾经建议一种在半导体器件中实现谐振隧道效应的替代器件结构，该结构在两个半导体层之间使用两个相邻的绝缘体层，得到Papp等人(Papp)9所描述的半导体-绝缘体-半导体(SIIS)结构。Papp描述了一种理论上的SIIS结构，其中两个晶体绝缘体层由通过晶体生长技术形成的两个不同绝缘体材料构成。尽管据申请人所知实际的SIIS结构还没有实现，但据说该SIIS结构产生了谐振隧道效应效应，具有负的动态电阻、增加的非线性和非对称性，与上述Suemasu和Asada的MIMIMIM器件类似。目前的晶体生长技术理论上能够实施SIIS结构，但SIIS器件仍然包含半导体材料固有的缺陷，即大面积器件的成本效率。此外，Suemasu(参见参考文献7)推测，由于当将半导体器件减小到mesoscopic regimes时出现的载流子波动，因此近来降低电子器件的尺寸以便实现高速开关的趋势将使半导体基器件不切实际。
如下面将看到的，本发明提供了显著优于如上所示的现有技术的改进，能够提供改进的性能，同时在其制造能力方面具有显著优点。本声明总的来说对于电磁器件是真实的，尤其是太阳能转换器件。
参考文献
1.J.G.Simmons，“Electric tunnel effect between dissimilarelectrodes separated by a thin insulating film，”Journal of AppliedPhysics，34(1963)。
2.S.R.Pollack and C.E.Morris，“Electron tunneling throughasymmetric films of thermally growth Al2O3，”Journal of AppliedPhysics，vol.35，no.5(1964)。
3.L.O.Hocker，et al.，“Frequency mixing in the infrared andfar-infrared using a metal-to-metal point contact diode，”AppliedPhysics Letters，vol.12，no 12(1968)。
4.S.M.Faris，et al.，“Detection of optical and infraredradiation with DC-biased electron-tunneling metal-barrier-metaldiodes，”IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.QE-9，no.7(1973)。
5.B.Michael Kale，“Electron tunneling devices in optics，”Optical Engineering，vol.24，no.2(1985)。
6.C.Fumeaux，et al，“Nanometer thin-film Ni-NiO-Ni diodesfor detection and mixing of 30 THz radiation，”Infrared Physics andTechnology，39(1998)。
7.T.Suemasu，et al，“Metal(CoSi2)/Insulator(CaF2)resonant tunneling diode，”Japanese Journal of AppliedPhysics，vol.33(1994)。
8.M.Asada，et al.，“Theoretical analysis and fabrication ofsmall area Metal/Insulator resonant tunneling diode integrated withpatch antenna for terahertz photon assisted tunneling，”Solid StateElectronics，vol.42，no.7-8(1998)。
9.G.Papp，et al.，“Current rectification through a single-barrier resonant tunneling quantum structure，”Superlattices andMicrostructures，vol.17，no.3(1995)。
这里引入上述文献作为参考。
发明内容
如下面将更详细描述的，这里公开了一种包括第一和第二非绝缘层的电子隧道效应器件。第一和第二非绝缘层彼此隔开，使得可以通过下述方式在第一和第二非绝缘层之间提供给定电压：施加外部偏压；或者例如在不施加电压的情况下由于入射的太阳能而感应电压；或者既施加偏压又存在感应电压。该电子隧道效应器件进一步包括设置在第一和第二非绝缘层之间并且在结构上起到在第一和第二非绝缘层之间传输电子作用的装置。该装置包括第一非晶材料层，该层构成为仅利用该装置中的第一非晶材料层将相对于给定电压在电子传输中产生第一参数的给定值。然而，根据本发明的一个方案，该装置包括第二材料层，该第二材料层构成为与第一非晶材料层相配合，使得电子的传输至少部分包括通过隧道效应机理的传输，并且使得相对于给定电压，第一参数增加到第一参数给定值之上。该第一参数例如是电子传输中的非线性或者非对称性。
在本发明的另一个技术方案中，如果在电子隧道效应器件的该装置中仅使用第一非晶材料层，那么该第一非晶材料层将相对于给定电压在电子传输中产生第二参数的给定值，而且第二材料层也构成为与第一非晶材料层配合，使得相对于给定电压，电子传输中的第二参数减小到第二参数的给定值以下。例如该第二参数是动态电阻。
在本发明的再一个技术方案中，描述了一种用于将入射到其上的太阳能转换为电能的器件。该器件具有输出，并且在输出处提供电能。该器件包括彼此隔开的第一和第二非绝缘层，使得只在第一和第二非绝缘层之间提供给定电压。该器件还包括设置在第一和第二非绝缘层之间、构成为起到在第一和第二非绝缘层之间传输电子作用的装置。该装置还包括第二材料层，该第二材料层构成为与第一非晶材料层配合，使得电子的传输至少部分包括利用隧道效应机理的传输，并且使得入射到第一和第二非绝缘层上的太阳能能够在输出处作为电能输出。
附图说明
通过参考下面结合附图的详细描述可以理解本发明。
图1A是说明现有技术中利用金属-绝缘体-金属(MIM)结构的器件图。
图1B-1D是说明对于给MIM器件施加的不同电压来说，图1A的MIM器件的能带分布示意图。
图1E是图1A的MIM器件的典型电流-电压曲线图。
图2A是根据本发明设计的电子隧道效应器件的说明图。
图2B-2D是说明对于给该电子隧道效应器件施加的不同电压来说，图2A的电子隧道效应器件的示意能带分布图。
图2E是图2A的电子隧道效应器件的典型电流-电压曲线图。
图3A是根据本发明设计的、用于将入射到其上的太阳能转换为电能的器件的顶视图，这里所示出的是要说明该器件金属层的可能结构。
图3B是图3A所示器件的截面图，这里所示出的是要说明位于该器件金属层之间的附加结构。
图4是本发明的进一步的实施例。
具体实施方式
在专利申请及其要求的上下文中提供了下列描述，这些描述能够使本领域普通技术人员制作和使用本发明。对所描述实施例进行的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，并且这里所描述的总的原理可以应用于其它实施例。因此，本发明不限于所示出的实施例，而是与这里所描述的原理和特征相符的最宽范围一致。
现在参考图2A，图2A描述了根据本发明设计的电子隧道效应器件。该电子隧道效应器件总体上用附图标记110表示，它包括第一非绝缘层112和第二非绝缘层114。非绝缘材料例如包括金属、超导体、半导体、半金属、量子阱和超晶格结构。例如可以通过常规方法(例如热蒸发和溅射，但不限于此)由两种不同材料(例如铬和铝)形成第一非绝缘层112和第二非绝缘层114。使第一非绝缘层112和第二非绝缘层114隔开，使得可以在其间施加给定电压。例如，该给定电压可以是由外部电压源直接施加给第一和第二非绝缘层的偏压。可以选择的是，如所看到的，可以通过例如太阳能感应该给定电压。此外，该给定电压可以是感应电压(例如来自入射的电磁辐射)和施加的外部偏压的组合。
继续参考图2A，在第一非绝缘层112和第二非绝缘层114之间设置第一非晶层116。用于本申请的非晶材料包括结构上不是单晶的所有材料。例如，第一非晶层116可以是第一非绝缘层112的自然氧化物。例如，如果使用铬作为第一非晶层112，那么可以氧化该铬层以便形成作为第一非晶层116的氧化铬层。其它适当的材料包括二氧化硅、氧化铌、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化钽、氧化铪、氧化钇、氧化镁、氮化硅和氮化铝，但不限于此。电子隧道效应器件110进一步包括设置在第一非绝缘层112和第二非绝缘层114之间的第二层118。第二层118由与第一非晶层116不同的预定材料形成，并且结构上与第一非晶层116相配合，使得第一非晶层和第二层118起到在第一和第二非绝缘层之间传输电子的作用。形成第二层118的该预定材料例如可以是非晶绝缘体，如氧化铬、二氧化硅、氧化铌、氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化钽、氧化铪、氧化钇、氧化镁、氮化硅、氮化铝和简单的空气或者真空间隙，但不限于此。优选，第二层118由功函数比第一非晶层低或者高的材料形成，以使器件在能带图中表现出非对称性。
如果该器件仅由第一和第二非绝缘层和第一非晶层构成，那么该器件应基本上等效于现有技术的MIM器件，并且应在电子传输中表现出给定程度的非线性、非对称性和动态电阻。然而，令人惊奇和不可思议的是，相对于给定电压，与给定程度的非线性和非对称性相比，第二层118的引入增加了非线性和非对称性的程度，同时减小了动态电阻。在不使用上述现有技术的外延生长技术或者结晶层的情况下实现了非线性和非对称性的增加和动态电阻的减小。下面将参考图2B-2E描述这种增加的机理。
参考图2B，同时结合图1B和2A，图2B示出了与电子隧道效应器件110对应的能带分布120的示意图。与在现有技术的MIM器件的能带分布20中所示的三个区相比，能带分布120包括与电子隧道效应器件110的四个层对应的四个区。第二层118的存在改变了电子隧道效应器件110的能带分布。
现在转到图2C和2D，同时结合图1C和1D，图2C和2D示出了由于施加电压而导致的能带分布的改变。在电子隧道效应器件110的反向偏置工作期间，能带分布改变为线130所示的分布，该分布与图1C所示的MIM器件的反向偏置工作情况相当类似。在图2C所示的情况下，电子在第一和第二非绝缘层之间穿行的原始机理在箭头136所示的反方向上隧道效应。然而，当提供前置偏压时，产生了图2D所示的修改了的能带分布。在这种情况下，隧道效应出现在通路146和146’中，而且现在存在量子阱区，通过该量子阱区，出现了谐振隧道效应，如箭头148所示。在谐振隧道效应区，电子传输的容易程度突然增加，因此导致电子隧道效应器件110的非绝缘层之间的电流增加。
继续参考图2D，第二层118的添加提供了电子通过谐振隧道效应而不是现有技术的MIM器件的隧道效应方式穿过器件的通路。结果，与MIM器件相比，当提供正电压时，在电子隧道效应器件110的非绝缘层之间流动更大的电流，同时给本发明的电子隧道效应器件提供负电压时电流同样流动。因此，与现有技术的MIM器件相比，电子隧道效应器件110中谐振隧道效应的存在导致非线性和非对称性的增加。
图2E示出了与电子隧道效应器件110对应的典型I-V曲线150。I-V曲线150表明该电子隧道效应器件110具有二极管的功能，其中该二极管限于两个端子的电子元件。此外，所示的I-V曲线150包括与所提供的、其中出现谐振隧道效应的电压区对应的谐振峰156。在实际制造的本发明的器件中，谐振隧道效应的出现取决于制造工艺的精度。与现有技术的MIM器件的I-V曲线相比，即使不存在谐振峰156，I-V曲线150也表现出了较高程度的非对称性和非线性(如图1E所示)。换句话说，虽然在本发明的电子隧道效应器件的I-V曲线中存在谐振峰在某些应用中可以产生附加的好处，例如极大地增加谐振峰周围的非线性，但即使非晶层的平均效应“消灭了”谐振峰，本发明的电子隧道效应器件也实现了电流-电压性能中非对称性和非线性增加和动态电阻降低的目的。因此，电子隧道效应器件110基本上包括现有技术的MIMIMIM器件的所有优点，而不需要复杂的制造工序和使用外来材料(exotic materials)，并且包括现有技术的SIIS器件的所有优点，而不具有如上所述的使用半导体材料的缺陷。不管Suemasu的教导，并且与该教导相反，在与现有技术的更复杂的制造工艺相比能够简单制造的简单结构中，本发明的电子隧道效应器件利用容易获得的金属和绝缘体、在穿过器件的电子传输中能够实现增加的非线性和非对称性以及降低的动态电阻。
应注意，本发明的电子隧道效应器件结合了MIM器件的简单和Suemasu及Asada的MIMIMIM器件的性能，同时利用容易获得的材料，并且避免使用半导体。尽管由于存在两个相邻的绝缘体层，粗略地看与SIIS器件的结构类似，但由于制造工序的基本差别(半导体器件中的晶体生长和掺杂技术与本发明的氧化和淀积技术相对)，因此在电子隧道效应器件110中添加第二层118不容易实现。实际上，Suemasu和Asada采取通过外延生长技术形成的更复杂的MIMIMIM结构实现相同的谐振隧道效应效果。通过定义，由于结晶生长和外延生长技术仅能够形成结晶层，因此Papp的SIIS器件和Suemasu及Asada的MIMIMIM器件中使用的结晶生长和外延生长技术排除了SIIS器件或者MIMIMIM器件中非晶绝缘体的使用。实际上，衬底兼容性(对于SIIS器件来说)和晶格匹配方面的考虑(在MIMIMIM器件中)限制了可以在SIIS器件或者MIMIMIM器件中使用的晶体材料；即，在制造这些器件中使用的制造工艺限制了Suemasu、Asada和Papp器件中可以使用的具体材料。
相比较，可以从能够通过溅射、原子层淀积、旋涂淀积和其它容易实施的技术淀积的各种氧化物和其它材料中选择在本发明的电子隧道效应汽机中使用的绝缘体材料。例如，可以淀积金属薄层，然后氧化以便形成绝缘体层。可以用例如包含硅烷或者有机材料的表面活性剂促进层的粘接。换句话说，可以根据材料的所需电特性选择在本发明的电子隧道效应器件中使用的具体材料，而不限于根据制造工序选择材料。此外，在本发明的电子隧道效应器件中结合第二材料层引入非晶绝缘体产生了意想不到的优点，例如谐振隧道效应。本发明的电子隧道效应器件的简单性在容易制造和材料的灵活选择上提供了在SIIS或者MIMIMIM器件中不可获得的优点。此外，由于外延生长技术的要求，因此在器件中使用非晶绝缘体在Suemasu及Asada的MIMIMIM器件或者Papp的SIIS器件中是不可能的，而在器件中使用非晶绝缘体增加了本器件中材料选择的灵活性，由于可以使用非晶而不仅仅是兼容的结晶层，因此进一步使本发明的电子隧道效应器件有别于现有技术的器件。
通过理论和试验，本申请人已经证明了本发明的电子隧道效应器件中的谐振隧道效应效果和增加的非对称性及非线性以及降低的动态电阻。在理论计算中，根据基本运算法则和评估的再分析进一步修改了目前用于MIM器件的模型，以便建立本发明的电子隧道效应模型。理论计算的结果证实了在图2A所示结构的电子隧道效应器件中存在谐振隧道效应和增加的非对称性和非线性以及降低的动态电阻。
根据本发明制造了试验器件，并且进行了测试。在第二层的制造中使用基于原子层淀积(ALD)的薄膜淀积法。也可以使用其它的淀积技术代替ALD，例如溅射，但不限于此。下面描述的制造工艺使用剥离技术以便形成布图的金属层。布图金属层还可以通过化学蚀刻、反应离子蚀刻、研磨和其它技术形成。对于典型器件来说，其制造工艺总结如下：
1.利用烘焙步骤和去离子(DI)水清洗的组合彻底清洁包括热氧化物的硅晶片衬底，该热氧化物小于1μm厚，用于在MIM二极管和硅衬底之间提供电绝缘；
2.形成基底接触焊盘，该基底接触焊盘抵抗连续的ALD绝缘体的形成，以便作为天线和接触焊盘(用于电访问该器件)：
a.光刻以限定接触焊盘的形状：
i.O2等离子体清洗以清除硅晶片上的浮渣，
ii.以6000转/秒旋涂底漆，时间为30秒，
iii.以6000转/秒旋涂抗蚀剂，时间为30秒(时间和旋涂速度取决于所使用的具体抗蚀剂)，
iv.在90C下预烘焙该抗蚀剂层25分钟(时间和温度取决于所使用的具体抗蚀剂)，
v.使抗蚀剂层曝光27秒(曝光时间取决于所使用的具体抗蚀剂和抗蚀剂厚度)，
vi.利用显影溶液(DI水与显影剂的比为4∶1)使抗蚀剂层显影预定的时间，(显影溶液取决于所使用的具体抗蚀剂和显影剂)，
vii.用DI水漂洗显影剂，
viii.O2等离子体清洗以便清洁抗蚀剂开口；
b.粘接层(100nm的铬)的热蒸发，以便作为抗划伤的金属，可以通过该金属电探查该器件；
c.接触层(100nm的金)的热蒸发，用于防止粘接层的氧化和连续的ALD层的粘接；
d.剥离以便除去外来材料：
i.以低速在旋转器上用丙酮剥离，
ii.用丙酮进行超声浴(如果需要促进剥离)，
iii.在旋转器上用丙酮剥离，
iv.在旋转器上用异丙醇清洗，
v.甩干；
3.通过重复步骤2(跳过步骤2c)形成第一非绝缘层，以形成100nm厚的Cr层；
4.通过使第一非绝缘层氧化(在清洁罩下最少3天)形成第一非晶层，以便形成厚度小于4nm的自然氧化物层；
5.利用Al(CH3)3和H2O前体通过原子层淀积形成第二层；
6.通过重复步骤3形成第二非绝缘层。
与上述Suemasu和Asada的MIMIMIM器件的制造工序相比，上述制造工序相当简单，并且灵活，允许使用各种金属和氧化物材料。如上所述，各种金属、例如铬、铝铌、钨、镍、钇和镁(但不限于此)以及各种氧化物、例如上述金属的自然氧化物或者可以淀积到存在的非晶层上的其它氧化物都适用于本发明的电子隧道效应器件。已经测量得到的器件，以便证实I-V曲线中谐振峰的存在和增加的非对称性和非线性以及降低的动态电阻。尤其应注意步骤2c，其中在铬粘接层的顶部淀积了附加的金属接触层，例如银或者金。通过这种方式，仍然可以到达接触焊盘，同时通过原子层淀积形成的绝缘体不形成连续层。此外，可以使用其它的光刻方法例如电子束辅助光刻代替上述光刻步骤。而且，在步骤1中，可以通过选择衬底来改变天线和电磁能之间的耦合，所述衬底例如包括平坦并且能够承受蒸发和淀积工序的玻璃、石英和其它非导电材料，例如上述所述的材料，但不限于此。此外，如果希望来自器件衬底侧的电磁辐射耦合，那么可以使用对入射的电磁辐射透明的衬底来代替硅晶片衬底。
现在转到图3A和3B，作为如上所述的本发明的一个应用例子已经开发了一种太阳能转换器200。太阳能转换器200包括分别与前述层112和114对应的第一非绝缘层212和第二非绝缘层214。由方框215表示的第一和第二非绝缘层之间的重叠部分有效地形成了上述电子隧道效应器件。图3B更清楚地示出了该电子隧道效应器件的结构，图3B示出了沿图3A的线3B-3B截取的太阳能转换器200的截面图。分别与前述层116和118对应的第一非晶绝缘体层216和第二层218位于第一和第二非绝缘层的重叠部分215中，以便产生本发明的电子隧道效应器件。
如图3A所示，第一和第二非绝缘层212和214分别进一步以蝴蝶结的形式成型，以便在重叠部分上聚集太阳能，由此增加太阳能转换器对入射的太阳能的灵敏度。构成该蝴蝶结天线以便通过接纳例如从近紫外到近红外频率范围内的电磁辐射增加太阳能转换器对宽带太阳能的灵敏度。当太阳能220落在太阳能转换器200上时，将太阳能220转换为第一和第二非绝缘层之间的电压，以便作为上述给定电压。根据本发明的电子隧道效应器件的I-V曲线，在重叠部分中形成了方向电流。这样，通过整流将入射的太阳能转换为电能。
要强调的是，图3A和3B的太阳能转换器表现出MIMIMIM和SIIS器件的性能优点，同时避免了现有技术器件的缺点。即，太阳能转换器200基于通过位于两个绝缘层之间的两个不同层分隔这两个绝缘层的简单结构，其中两个不同层之一是非晶绝缘体。由于灵活的制造工艺，因此可以从容易得到的宽范围的各种材料中选择在太阳能转换器200中使用的外来材料，例如铬、铝、钛、铌和硅以及各自的自然氧化物，并不限于仅使用半导体材料、结晶绝缘体或者外来材料例如CoSi2。而且，不像现有技术的半导体器件，其响应受禁带能量的限制，本发明的太阳能转换器对入射的宽范围的电磁能量都敏感。实际上，利用适当设计的天线，使其构成为对太阳的电磁频谱内的频率范围敏感，本发明的太阳能转换器的能量转换效率上限接近于通过天线传递给电子隧道效应器件的100％的能量。此外，图3A和3B的太阳能转换器不需要施加外部偏压，除了通过天线结构接收的太阳能。本发明的太阳能转换器不需要施加外部偏压的事实与现有技术的需要施加外部偏压的器件相反。
现在转到图4，下面描述本发明的电子隧道效应器件的变形。图4示出了包括位于第一非绝缘层12和第二非绝缘层14之间的超晶格结构310的电子隧道效应器件300。超晶格结构310包括多个由薄绝缘层314分隔的薄非绝缘层312。每个薄非绝缘层312例如都可以是一个金属单层，每个薄绝缘层314例如都可以是七个绝缘体的单层。超晶格结构310提供了电子传输通路，由此增加第一和第二非绝缘层之间的电子流动。结果，能够使电子隧道效应器件的设计更灵活，以便增强器件的性能，例如，通过选择适当的材料以修改与第一或者第二非绝缘层对应的能带高度来增加器件的非线性。
尽管所示出的每个上述实施例具有各种部件，各个部件具有各自的具体定向，但应理解本发明可以采用各种具体的结构，该具体结构具有位于各个位置和相互定向的各种部件，并且仍然属于本发明的精神和范围之内。此外，可以使用适当的等效方案代替各个部件，或者添加部件，这些替代物或者添加部件的功能或者使用应是本领域技术人员熟悉的，因此认为落在本发明的范围内。例如，可以修改在上述器件中使用的具体材料，同时实现相同的改进的电流-电压性能的效果。
除了上述由谐振隧道效应带来的优点之外，可以通过量子力学反射(quantum mechanical reflections)进一步增强非对称性。量子力学反射由于势能或者有效质量的改变而出现，并且在本发明人的理论计算中说明了量子力学反射。这些反射导致了绝缘体带边缘之上和之下的电子隧道效应。作为基本上不同阻挡的结果，即使不存在谐振隧道效应，与单层MIM二极管相比，也将增强这种多层体系的有效质量分布。
此外，应注意，氧化物中的导带斜率与电场强度成比例，而电场强度取决于氧化物内的介电常数。因此，我们可以利用具有希望介电常数的氧化物定制每个氧化物区的电压降或者电场强度。通过控制每层中的电场强度，我们可以进一步定制作为施加电压的函数的谐振能级位置。
此外，可以通过考虑多层系统中的电场方向进一步增强器件的I-V曲线的非对称性。在隧道效应中，电场方向对隧道效应概率的大小不起作用。然而，如果电子不隧道效应氧化物的整个距离，也许由于碰撞，那么电场的特性将影响电子的后碰撞方向。可以通过选择电极的功函数和费米能级以及氧化物层的介电常数控制氧化物层中的电场分布。
本讨论主要公开了一种电子隧道效应器件，该电子隧道效应器件包括彼此隔开的第一和第二非绝缘层，使得可以在其间施加给定电压。该器件还包括设置在非绝缘层之间并且结构上起到在非绝缘层之间传输电子的作用的装置。该装置包括第一非晶材料层，使得在该装置中仅使用第一非晶材料层将相对于给定电压产生电子传输参数的给定值。该装置进一步包括第二材料层，该第二材料层结构上与第一非晶材料层配合，使得电子的传输至少部分包括隧道效应传输，使得相对于给定电压，该参数增加到上述参数给定值之上。
应理解，本发明及其带来的优点可以用于除了太阳能转换器件之外的电磁器件领域，这样领域包括：所有电磁频谱的检测器、发射器、调节器、转发器和晶体管，如2001年5月21日同时申请的、本申请人的共同未审美国专利申请09/860,972(代理记录号Phiar-P002)公开的内容，这里引入作为参考，但不限于此。此外，在这些应用中可以给非绝缘层施加外部偏压，以便使该器件工作在I-V曲线上的理想区域。因此应认为本例是说明性的，而不是限制性的，并且本发明不限于这里给出的细节，可以在附加权利要求范围内修改。

Claims (26)

1.一种电子隧道效应器件，包括：
a)彼此隔开的用于接收能量的第一和第二导电层；和
b)设置在第一和第二导电层之间并且用于在所述第一和第二导电层之间传输电子的装置，所述装置包括
i)第一材料层，和
ii)第二材料层，第二材料层与所述第一材料层相配合，使得电子传输至少部分地包括借助于隧道效应的传输。
2.权利要求1的器件，其中该器件是用于将入射到其上的太阳能转换为电能的器件，所述器件具有输出并且在输出处提供电能，导电地构成第一和第二层以便形成用于接收所述入射到其上的太阳能的天线，第一材料层是绝缘的，第二材料层是绝缘的并且设置成与所述第一绝缘层直接邻接，使得入射到导电层上的太阳能至少部分可以在输出处作为电能取出。
3.权利要求1的电子隧道效应器件，其中第一和第二导电层是彼此隔开的非绝缘层，使得可以在第一和第二非绝缘层之间提供给定电压；该第一材料层是非晶材料，它构成为使得仅在该装置中使用所述非晶材料层将在电子传输中相对于所述给定电压产生第一参数的给定值，构成的第二材料层与所述第一层配合，使得相对于所述给定电压，所述第一参数通过引入所述第二材料层增加到所述第一参数的所述给定值之上，而不需要任何附加层。
4.权利要求3的电子隧道效应器件，其中所述电子传输中的所述第一参数是非线性。
5.权利要求3的电子隧道效应器件，其中所述电子传输中的所述第一参数是非对称性。
6.权利要求3的电子隧道效应器件，其中进一步构成所述第一非晶材料层，使得在该装置中仅使用所述第一非晶材料层将相对于所述给定电压在所述电子传输中产生第二参数的给定值，并且其中进一步构成的所述第二材料层与所述第一非晶材料层配合，使得相对于所述给定电压，所述第二参数通过所述第二材料层的引入降低到所述第二参数给定值以下，而不需要任何附加层。
7.权利要求6的电子隧道效应器件，其中在所述电子传输中，所述第二参数是动态电阻。
8.权利要求3的电子隧道效应器件，其中所述第一非晶材料层表现出第一导带高度，并且其中所述第二材料层表现出第二导带高度，第二导带高度基本上与所述第一导带高度不同。
9.权利要求3的电子隧道效应器件，其中所述第二材料层位于与第一非晶材料层直接邻接的位置。
10.权利要求3的电子隧道效应器件，其中构成第一和第二非绝缘层，以便形成用于接收电磁能量并且将如此接收的电磁能量转换为在第一和第二非绝缘层之间提供的所述给定电压的天线结构。
11.权利要求1的器件，其中该器件是用于将入射到其上的太阳能转换为电能的器件，所述器件具有输出并且在输出处提供电能，第一和第二导电层是第一装置的一部分，第一和第二导电层是彼此隔开的非绝缘层，并且构成第一和第二导电层以便形成用于接收入射到其上的所述太阳能的天线；设置在第一和第二非绝缘层之间的装置是第二装置，第一材料层是第一非晶材料层，构成的第二材料层与第一非晶材料层配合，以便将入射到所述天线上的太阳能至少部分可以在输出处作为电能取出。
12.权利要求11的器件，其中所述第二材料层位于与第一非晶材料层直接邻接的位置。
13.权利要求11的器件，其中构成第一和第二非绝缘层以及第一层，使得当给定电压处于预定的范围值时，该器件表现出负的动态电阻。
14.权利要求11的器件，其中所述天线是宽带天线结构，用于接收太阳能并且将如此接收的太阳能转换为在第一和第二非绝缘层之间提供的所述给定电压。
15.权利要求1的器件，其中该器件是用于将输入能量转换为输出能量的器件，它具有特定的能量转换效率值，所述电子隧道效应器件具有输出并且在所述输出处提供所述输出能量，第一和第二导电层是非绝缘层并且是第一装置的一部分，第一和第二非绝缘层彼此隔开，并且构成为接收所述输入能量；设置在第一和第二导电层之间的装置是第二装置，导电层是非绝缘层，第一材料层是非晶材料层，使得在该装置中仅使用所述第一非晶材料层将相对于输入能量的给定量产生能量转换效率的给定值，第二材料层构成为与所述第一非晶材料层配合，使得相对于输入能量的所述给定量，所述能量转换效率通过所述第二材料层的引入增加到能量转换效率的所述给定值以上，而不需要任何附加层。
16.权利要求15的电子隧道效应器件，其中所述第二材料层位于与所述第一非晶层直接相邻的位置。
17.权利要求15的电子隧道效应器件，其中构成第一和第二非绝缘层，以便形成用于接收作为所述输入能量的电磁能量。
18.权利要求1的器件，其中该器件是用于将入射到其上的太阳能转换为电能的器件，所述器件具有输出并且在输出处提供电能，第一和第二导电层是彼此隔开的导电层，并且构成为接收入射到其上的所述太阳能；第一材料层是非晶材料层，使得相对于入射到其上的所述太阳能的给定量，在该装置中仅使用所述第一非晶材料层将产生太阳能转换效率的给定值，构成的第二材料层与所述第一非晶材料层配合，使得入射到第一和第二非绝缘层上的太阳能至少部分可以在所述输出处作为电能取出，同时相对于入射到其上的所述太阳能的所述给定量，所示太阳能的转换效率通过所述第二材料层的引入增加到所述太阳能转换效率的给定值以上，而不需要任何附加层。
19.权利要求1的电子隧道效应器件，其中第一和第二导电层是彼此隔开的导电层，使得可以在第一和第二非绝缘层之间提供给定电压；第一材料层是第一非晶绝缘层，第二材料层是设置成与所述第一绝缘层直接邻接的第二绝缘层。
20.相对于一个给定电压而把电子隧道效应器件中的电子传输的非线性度增大到一个给定的非线性度之上的方法，该电子隧道效应器件包括：
(i)彼此隔开的第一和第二非绝缘层，在第一和第二非绝缘层之间可提供所述给定电压，和
(ii)设置在第一和第二非绝缘层之间并用于在所述第一和第二非绝缘层之间传输电子的装置，所述装置包括第一非晶材料层，使得相对于所述给定电压，在该装置中仅使用所述第一非晶材料层将在第一和第二非绝缘层之间的所述电子传输中产生所述给定的非线性程度，所述方法包括以下步骤：
在所述第一和第二非绝缘层之间设置一个第二材料层，所述第二材料层与所述第一非晶材料层配合，使得电子的传输至少部分地包括借助于隧道效应的传输，以便增加所述非线性而不需要任何附加层。
21.权利要求20的方法，其中所述定位第二材料层的步骤包括直接邻接第一非晶材料层淀积第二材料层的步骤。
22.权利要求20的方法，进一步包括步骤：构成第一和第二非绝缘层，以便形成用于接收电磁能量并且将如此接收的电磁能量转换为在第一和第二非绝缘层之间提供的所述给定电压的天线结构。
23.一种用于在衬底上制造电子隧道效应器件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在衬底上形成具有预定形状的第一非绝缘层；
b)提供氧化物层，使得所述氧化物层在第一非绝缘层中整体地形成，所述氧化物层被作为第一非晶层；
c)淀积与该氧化物层直接邻接的第二绝缘材料层；和
d)形成第二非绝缘层，其中所述第二绝缘材料层与第一非晶层配合，使得第一非晶层和第二绝缘材料层一起用作第一和第二非绝缘层之间的电子传输，且所述电子传输至少部分地包括借助于隧道效应的传输。
24.权利要求23的方法，其中形成所述第一非绝缘层的所述步骤进一步包括下列步骤：
i)淀积第一非绝缘材料的粘接层；
ii)淀积不同的第二非绝缘材料的接触层；和
iii)剥离过量的第一和第二非绝缘材料，其中选择所述第一非绝缘材料，使得第二非绝缘材料比直接粘接于衬底更容易粘接到粘接层上。
25.一种用于将入射到其上的太阳能转换为电能并且在输出处提供所述电能的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供彼此隔开并且可以在其间提供给定电压的第一和第二非绝缘层，并使所述第一和第二非绝缘层构成用于接收入射到其上的所述太阳能的天线结构；
b)在非绝缘层之间设置一个装置，所述装置包括第一非晶材料层和第二材料层；和
c)使所述装置起到在所述第一和第二非绝缘层之间传输电子的作用，使得电子的传输至少部分地包括借助于隧道改应的传输，并且使得入射到第一和第二非绝缘层上的太阳能至少部分可以在所述输出处作为电能取出。
26.权利要求25的方法，其中所述构成该装置的步骤包括直接邻接第一非晶材料层定位第二材料层的步骤。
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