JP2015517221A - 金属−半導体−金属（ｍｓｍ）ヘテロジャンクションダイオード - Google Patents

金属−半導体−金属（ｍｓｍ）ヘテロジャンクションダイオード Download PDF

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Abstract

一の態様では、ダイオードは、第１の側面と前記第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有する半導体層であって、前記半導体層は前記第１の側面と前記第２の側面との間に所定の厚さを有し、当該半導体層の厚さは前記半導体層に放出される電荷キャリアの平均自由行程に基づく半導体層と；前記半導体層の第１の側面上に堆積させた第１の金属層と；前記半導体層の第２の側面上に堆積させた第２の金属層と；を備える。

Description

優先権主張
本願は、２０１２年４月１９日に出願された米国仮出願第６１／６８７,１６３に対する３５Ｕ.Ｓ.Ｃ.§１１９（ｅ）の優先権の利益を主張する。この全内容は、本明細書において引用することにより援用する。
使用の分野
本開示は、概して、ダイオードに関し、より詳細には、ハイスピードダイオードデバイスに関する。
典型的なダイオードは、ギガヘルツ（ＧＨｚ）の高帯域もしくはテラヘルツ（ＴＨｚ）の低帯域においてカットオフ周波数（具体的には、１０ＴＨｚ未満のカットオフ周波数）を有する。これは、作動周波数範囲に制限を課すこととなる。このようなダイオードの具体例には、ショットキーダイオード、バックワードトンネルダイオード、及び、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）トンネルダイオードが含まれる。
ハイスピードダイオード、具体的には、１０ＴＨｚより高いカットオフ周波数を有するダイオードは、広範囲のアプリケーションにとって極めて重要な要素である。例えば、光学アンテナと組み合わされたハイスピードダイオード（レクテナと称する）は、光周波数の操作が可能となる（例えば、赤外線から遠赤外線までの信号に対して同期発生・検出(coherent generation and detection)を行うことが可能となる）。これらのオペレーションにおいて、光学アンテナは、光の収集及び放出に貢献する。一方、ダイオードは、対応する光周波数に一致し、他の要求される電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性、すなわち優れた非線形性及び整流作用等を備えるに充分な程速く作動しなければならない。そのため、１００ＴＨｚより高いカットオフ周波数及び作動速度を有する非常に非線形性の高いダイオードを得ることは、技術的及び科学的に非常に重要なことである。
本開示は、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）ヘテロジャンクションダイオードに関する装置及び方法について記載する。ＭＳＭダイオードの結晶半導体層の厚さは、ＭＳＭダイオードの半導体層に放出される電荷キャリアの平均自由行程未満もしくはそれと同じである。これにより、半導体層に亘って弾道キャリア輸送に近い状態となり、優れた非線形性及び整流作用を示すと共に、熱イオン放射電子密度が極めて高くなる。ＭＳＭダイオードの直列抵抗は極端に小さくなる可能性があり、ＭＳＭダイオードのカットオフ周波数は、１００ＴＨｚを超える可能性がある。
本開示のある態様では、ダイオードは、第１の側面と第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有する半導体層であって、当該半導体層は前記第１の側面と前記第２の側面との間に所定の厚さを有し、当該半導体層の厚さは半導体層へ放出される電荷キャリアの平均自由行程に基づく半導体層と、前記半導体層の第１の側面上に堆積（析出）させた第１の金属層と、前記半導体層の第２の側面上に堆積（析出）させた第２の金属層と、を備える。
本開示のいくつかの態様には、次の１以上の特徴が含まれうる。半導体層の厚さは、半導体層へ放出される電荷キャリアの平均自由行程と同じもしくはこれ未満であってもよい。いくつかの態様において、ダイオードは、１００ＴＨｚを超えるカットオフ周波数を有していてもよい。いくつかの態様において、第１の金属層及び第２の金属層は、同一の金属であってもよい。いくつかの態様において、第１の金属層は、第１の金属であってもよく、第２の金属層は、第２の金属であってもよく、第１の金属と第２の金属とは異なる金属であってもよい。半導体の界面は、オーミックコンタクトの形成のため、縮退的にドープ（degenerately doped）されていてもよい。半導体層は、１以上の単結晶半導体、多結晶半導体、もしくは、その組み合わせを含んでいてもよい。半導体層は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫化鉛（ＰｂＳ）及びテルル化鉛（ＰｂＴｅ）等の１以上の半導体が含まれていてもよい。第１の金属層及び第２の金属層は、それぞれ、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、インジウム（Ｉｎ）、イリジウム（Ｉｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）及び亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含んでいてもよい。ダイオードは、金属−半導体−金属ヘテロジャンクションダイオード（ＭＳＭダイオード）であってもよく、当該ＭＳＭダイオードは、さらに、半導体層と、第１の金属層及び第２の金属層の１もしくはそれ以上との間においてヘテロジャンクションを含む。
本開示の他の態様において、ダイオードを作製するための方法は、第１の側面と第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有する半導体であって、当該半導体は前記第１の側面と前記第２の側面との間に所定の厚さを有し、当該厚さは半導体へ放出される電荷キャリアの平均自由行程に基づく半導体を準備する工程と、当該半導体の第１の側面上に第１の金属を堆積（析出）させる工程と、当該半導体の第２の側面上に第２の金属を堆積（析出）させる工程と、を備える。
本開示のいくつかの態様には、次の１以上の特徴が含まれうる。半導体を得ることは、半導体を含む層と、当該半導体と異なる少なくとも１種の材料を含む１以上の他の層と、を含む多層材料の基板を得ること、半導体とキャリアウェハとの間に第１の金属を配置するため、半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合させること、および、半導体の第２の側面を露出させるため、前記１以上の他の層を除去することを含んでいてもよい。いくつかの態様において、半導体の第１の側面上に第１の金属を堆積させることは、半導体の第１の側面をパターニングすることを含んでいてもよい。いくつかの態様において、半導体の第１の側面上に第１の金属を堆積させることは、半導体の第１の側面に第１の金属を均一な金属フィルムとして直接堆積させることを含んでいてもよい。半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合することは、接着剤を用いて、半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合することを含んでいてもよい。当該方法は、オーミックコンタクトの形成のため、半導体層の表面を縮退的にドープすることを含んでいてもよい。
本開示のさらに別の態様において、ｐ型金属−半導体−金属ヘテロジャンクションダイオード（ＭＳＭダイオード）は、第１の側面と第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有するシリコン層であって、前記第１の側面の表面は、１×１０２０ｃｍ−３の表面濃度でホウ素によりドープされ、当該シリコン層は第１の側面と第２の側面との間に所定の厚さを有し、当該シリコン層の厚さは３０ｎｍであるシリコン層と；当該シリコン層の第１の側面上に堆積させたプラチナ層と；前記シリコン層と前記プラチナ層との間に設けられた第１ヘテロジャンクション界面と；前記シリコン層の第２の側面上に堆積させたコバルト層と；前記シリコン層と前記コバルト層との間に設けられた第２のヘテロジャンクション界面と、を含む。
本開示のさらに別の態様において、ｎ型金属−半導体−金属ヘテロジャンクションダイオード（ＭＳＭダイオード）は、第１の側面と第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有するシリコン層であって、前記第１の側面の表面は、２×１０２０ｃｍ−３の表面濃度でリンによりドープされ、当該シリコン層は第１の側面と第２の側面との間に所定の厚さを有し、当該シリコン層の厚さは６０ｎｍであるシリコン層と；当該シリコン層の第１の側面上に堆積させた第１のクロム層と；前記第１のクロム層と前記シリコン層との間に設けられた第１ヘテロジャンクション界面と；前記シリコン層の第２の側面上に堆積させた第２のクロム層と；前記第２のクロム層と前記シリコン層との間に設けられた第２のヘテロジャンクション界面と、を含む。
１以上の態様の詳細は、添付の図面及び以下の詳細な説明において説明されている。他の特徴、目的及び利点は、詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
図１は、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）ヘテロジャンクションダイオードの一例を示す。 図２ａ−ｄは、異なるＭＳＭダイオードについてのエネルギバンドダイアグラムの一例を示す。 図３は、ＭＳＭダイオードを製造するためのプロセスのフローチャートである。 図４は、様々な製造ステージにおけるＭＳＭダイオードの側面図を示す。 図５は、表面ドーピング有り場合と無し場合におけるＭＳＭダイオードについての電流密度対電圧（Ｊ−Ｖ）特性の一例を示したグラフである。 図６は、様々なＭＳＭダイオードとショットキーダイオードについてのＪ−Ｖ特性の一例を示したグラフである。 図７ａ−ｃは、図６の様々なＭＳＭダイオードに対応するエネルギバンドダイアグラムの一例を示す。 図７ｄは、図６のショットキーダイオードに対応するエネルギバンドダイアグラムの一例を示す。
図１は、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）ヘテロジャンクションダイオード１００の一例を示している。図１に示すように、ＭＳＭダイオード１００は、２つの金属電極１０４と１０６との間に配置された半導体薄膜層１０２を有する。半導体層１０２は、結晶性半導体（例示すれば、単結晶の結晶性半導体）もしくは多結晶半導体であってもよい。半導体１０２の膜厚１１６は、電荷キャリアの平均自由行程に基づくものであり、具体的には、この平均自由行程に近いもしくはこの平均自由行程と同じである。これにより、半導体層１０２に亘って弾道キャリア輸送に近くなる。ＭＳＭダイオード１００のヘテロジャンクション１１２及び１１４は、半導体層１０２の、互いに反対側に設けられた両方の側面上に２つのコンタクト界面及び２つのエネルギ障壁を有していてもよい。金属１０４及び１０６について異なる材料を選択すること、もしくは、半導体層１０２の一方の側面に選択的にドープすることのいずれかにより非対称のエネルギーバンド構造が形成される。
ＭＳＭヘテロジャンクションダイオード１００は、適切な半導体材料及び金属材料を用いることにより作製してもよい。半導体１０２は、以下に限定される訳ではないが、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化鉛（ＰｂＳ）、テルル化鉛（ＰｂＴｅ）であってもよい。半導体１０２のいずれか一方の側面に設けられた金属１０４及び１０６は、以下に限定される訳ではないが、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、インジウム（Ｉｎ）、イリジウム（Ｉｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）及び亜鉛（Ｚｎ）であってもよい。上で列挙されたもの以外の他の適切な材料を用いてもよい。ＭＳＭダイオードのカットオフ周波数は、半導体材料及び金属材料の異なる組み合わせを選択することにより設定してもよい。
図２ａ−ｄは、様々なＭＳＭダイオードについてのエネルギバンドダイアグラム２００、２１０、２２０及び２３０の一例を示す。エネルギバンドダイアグラム２００、２１０、２２０及び２３０において、ｈ＋及びｅ−は、矢印２０２、２１２、２２２及び２３２により示された方向に沿って半導体層に放出された電荷キャリアを示す。図２ａおよび２ｂは、ｐ型ＭＳＭダイオードについてのエネルギバンドダイアグラム２００および２１０を示す。図２ｃおよび２ｄは、ｎ型ＭＳＭダイオードについてのエネルギバンドダイアグラム２２０および２３０を示す。図２ａは、金属Ｍ１およびＭ２として異なる材料を含むｐ型ＭＳＭダイオードを示している。図２ｃは、金属Ｍ３およびＭ４として異なる材料を含むｎ型ＭＳＭダイオードを示している。図２ｂは、一方の側面に選択的にドープされている半導体を含むｐ型ＭＳＭダイオードを示している。図２ｄは、一方の側面に選択的にドープされている半導体を含むｎ型ＭＳＭダイオードを示している。半導体の一方の側面が選択的にドープされた図２ｂおよび２ｄのＭＳＭダイオードについて、金属Ｍ５およびＭ６は同じ材料であってもよいし、金属Ｍ７およびＭ８は同じ材料であってもよい。
図３は、ＭＳＭダイオードを製造するためのプロセス３００のフローチャートである。端的に言えば、プロセス３００は、積層された基板、具体的には、半導体−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ（３０２）の半導体表面を選択的にドーピングすること、半導体（３０４）の第１の側面に第１の金属を堆積させること、半導体とキャリアウェハ（３０６）との間に第１の金属を配置するため半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合すること、半導体（３０８）の第２の側面を露出させるため積層された基板、具体的には、バルクの半導体基板層、および、電気的絶縁層の他の層を選択的に除去すること、半導体（３１０）の第２の側面上に第２の金属を堆積させることを含む。
図４は、製造の様々なステージ（ａ）−（ｆ）におけるＭＳＭダイオードの側面図である。ＭＳＭダイオードは、単結晶半導体の薄膜層、具体的には、所望の厚さ、ドーピングプロファイル、結晶配向を有するシリコン（Ｓｉ）層４０１を含むＭＳＭダイオードが与えられる（ステージ（ａ））。ＭＳＭダイオードは、ウェハスケールで製造してもよい。
フリップ接合技術を用いて、異なる複数の金属層を、積層された基板、具体的には、シリコン層４０１、絶縁体（具体的には、ＳｉＯ２）層４０２、および、バルクシリコン基板４０３を含む標準的なシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ４００の半導体薄膜層４０１の両側面上にパターン化し堆積させてもよい。ＭＳＭヘテロジャンクションを、所望の材料の各層、具体的には、シリコン層４０１が、選択された金属間において得られ配置されるように、選択的化学エッチングもしくはプラズマエッチングを用いて、ＳＯＩウェハ４００から製造してもよい。ＭＳＭヘテロジャンクションダイオードを製造するための技術について以下に詳細に記載する。
１．浅いコンタクトドーピング
ＭＳＭダイオードのアプリケーションに応じて、シリコン層４０１の一方の側面もしくは両方の側面の表面が、シリコン層４０１へキャリアを注入するためのオーミックコンタクトを形成するためにドープされてもよい。シリコン層４０１は、例えば７０ｎｍもしくはそれ未満の適切な厚さを有する。ＳＯＩウェハ４００のシリコン層４０１の表面はまず最初に洗浄され、その後適当な方法（具体的には、インプランテーション、スピン−オン、もしくは、ガス相拡散）を用いて、適切なドーピングタイプ（ホウ素等のｐ型ドーパントによりドープされたｐ型ダイオード、及び、リン等のｎ型ドーパントによりドープされたｎ型ダイオード）、及び、濃度（具体的には、表面抵抗率を最小化するため縮退的にドープすること）、及び、深さでドープされる。
図５は、半導体層のキャリア注入サイドにおいて表面ドーピングされたＭＳＭダイオード５０６、及び、半導体層のキャリア注入サイドにおいて表面ドーピングされていないＭＳＭダイオード５０８についての電流密度対電圧（Ｊ−Ｖ）特性の一例を示しているグラフ５００である。グラフ５００は、軸５０２、軸５０４及び曲線５１２を含む。軸５０２は、電流密度（アンペア／ｃｍ２）である。軸５０４は、バイアス電圧（ボルト）である。曲線５１０は、ＭＳＭダイオード５０６についての電流密度対電圧（Ｊ−Ｖ）特性を示している。曲線５１２は、ＭＳＭダイオード５０８についての電流密度対電圧（Ｊ−Ｖ）特性を示している。
図５のＭＳＭダイオード５０６及び５０８のそれぞれは、コバルト（Ｃｏ）層Ｍ１、シリコン層及びプラチナ（Ｐｔ）層Ｍ２を有するｐ型ＭＳＭダイオードであってもよい。ＭＳＭダイオードにおける直列抵抗は非常に低く、主電流制限要素もしくは速度制限要素ではないが、ダイオードが高いフォワードバイアス下にある場合（フラットバンドバイアスより高い）、コンタクトインピーダンスＲｃは速度制限要因となり得る。図５に示されているように、表面ドーピングを有しないＭＳＭダイオード５０８の電流は、およそ０．２Ｖのフラットバンドバイアス５２０において指数関数的曲線５１０から逸れ、一方、表面ドーピングを有するＭＳＭダイオード５０６の電流は、フラットバンドバイアスを超えて指数関数的に上昇する。特定のアプリケーションおよびオペレーション条件に応じて、ＭＳＭダイオードは、ドープされた表面もしくはドープされていない表面を有する半導体層を含んでいてもよい。
２．フリップボンド作製
図４に戻る。表面ドープされたＳＯＩウェハ４００が標準的なフォトリソグラフィによりパターニングされる。パターニングされたフォトレジストは、その抵抗を上昇させるために架橋されてもよい。ＳＯＩウェハ４００は、その後、（具体的には、Ｏ２プラズマ中において）エッチングされ、パターニングされた領域において任意のフォトレジスト残留物が除去される。例えば、バッファ酸化エッチャント（ＢＯＥ）においてＳＯＩウェハ４００を短期間で浸漬することにより、パターニングされた領域における任意の新たに形成された二酸化シリコンを除去する。
ＳＯＩウェハ４００を金属堆積（具体的には電子ビーム蒸着もしくはスパッタ）チャンバ内に導入する。チャンバのベース圧力が十分低いとき（具体的には、２×１０−６トール未満）、プラチナ（Ｐｔ）等の第１の金属４０４が堆積される（ステージ（ｂ））。Ｐｔ層４０４は、Ｓｉ層４０１により優れたコンタクトを形成するに十分大きな膜厚（具体的には、１５ｎｍ）を有する。外部コネクションもしくは測定コンタクトのために十分な厚さ（具体的には、１００ｎｍ）を有するアルミニウム（Ａｌ）層（不図示）を適切な速度（およそ０．１ｎｍ／秒）でＰｔ層４０４上に堆積させ、確実に、優れた金属フィルム品質を得る。Ｐｔ及びＡｌと異なる他の金属材料を用いてもよい。
金属層４０４の堆積に続いて、接着剤４０６を用いて、ＳＯＩウェハ４００を反転させこれをキャリアウェハ４０５に接合する（ステージ（ｃ））。金属層４０４をＳｉ層４０１とキャリアウェハ４０５との間に配置する。接着剤４０６は、絶縁性接着剤であってもよいし、もしくは導電性接着剤であってもよい。表面ドープされたＳＯＩウェハ４００がパターン化されていないとき、具体的には、Ｐｔ及びＡｌがパターニングされていない均一な金属フィルムとして表面ドープされたＳＯＩウェハ４００上に直接ドープされるとき、ＳＯＩウェハ４００をキャリアウェハ４０５に接合するために、例えば、導電性接着剤を使用してもよい。
ステージ（ｄ）において、ＳＯＩウェハ４００のバルクシリコン基板４０３を、（具体的には、サンドペーパーを使用して切削もしくは研磨することにより）薄膜化し、（具体的には二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を用いて）選択的Ｓｉエッチングすることにより完全に除去し、ＳｉＯ２層４０２を露出させる。ステージ（ｅ）において、ＳｉＯ２層４０２は、（具体的には、ＢＯＥに浸漬することにより）選択的にエッチング除去される。残った構造４０７は、ドープされた側面と事前に堆積された金属コンタクトとを有する薄いデバイスシリコン層４０１、及び、接着剤４０６によりキャリアウェハ４０５に接合された電極４０４を含んだものである。
デバイスシリコン層４０１の他方の側面上にあるＰｔ層４０４に対する指定されたレジストリにより(with designated registry)、第２金属コンタクト領域を規定するため、第２のリソグラフィを実行する。エッチングに対する耐性を向上させるため、パターニングされたフォトレジストを架橋させてもよい。その後、構造４０７を（具体的にはＯ２プラズマにおいて）エッチングし、パターンされた領域において、任意のフォトレジスト残留物を除去する。パターニングされた領域における任意の新たに形成された二酸化シリコンを、例えば、バッファ酸化物エッチャント（ＢＯＥ）に短期間浸漬することにより除去する。
構造４０７を金属堆積（具体的には、電子ビーム蒸着もしくはスパッタ）チャンバ内へ導入する。チャンバのベース圧力が十分に低いときに（具体的には、２×１０−６トール未満）、第２の金属（具体的にはコバルト（Ｃｏ）等）の層４０８を堆積させる（ステージ（ｆ））。Ｃｏ層４０８は、Ｓｉ層４０１との優れたコンタクトを形成するのに十分大きな厚さ（具体的には、１５ｎｍ）を有する。外部接続もしくは測定コンタクトのために十分な厚さ（具体的には、１００ｎｍ）を有するアルミニウム（Ａｌ）層（不図示）を適当な速度（およそ０．１ｎｍ／秒）でＣｏ層４０８上に堆積させ、確実に、優れた金属フィルム品質を得る。Ｃｏ及びＡｌと異なる他の金属材料を使用してもよい。第２の金属層４０８の堆積後、ｐ型Ｃｏ−Ｓｉ−Ｐｔダイオード４１０及び４１２は、いずれかの電気的測定もしくは電気付加を行うことができる状態にある。
上述のフォトリソグラフィを、金属堆積の間浅いマスクを用いることにより置き換えてもよい。概して、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、及びインプリントリソグラフィを含む任意の適切なリソグラフィ技術を適用してもよい。例えば、より小さなデバイスサイズについてのフォトリソグラフィの代替として、電子ビームリソグラフィを実行してもよい。
図６は、様々なＭＳＭダイオード及びショットキーダイオードについての電流密度対電圧（Ｊ−Ｖ）特性の一例を示しているグラフ６００及び６５０である。グラフ６００は、軸６０２、軸６０４及び曲線６１０、６１２、６１４及び６１６を含む。軸６０２は、電流密度（アンペア／ｃｍ２）である。軸６０４は、バイアス電圧（ボルト）である。曲線６１０は、ｐ型イリジウム−シリコン−イリジウム（Ｉｒ−Ｓｉ−Ｉｒ）ダイオードの予測されたセミログＪ−Ｖ曲線を示す。曲線６１２は、ｐ型Ｃｏ−Ｓｉ−Ｐｔダイオードの実験されたセミログＪ−Ｖ曲線を示す。曲線６１４は、ｎ型クロム−シリコン−クロム（Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｒ）ダイオードの実験されたセミログＪ−Ｖ曲線を示す。曲線６１６は、Ｃｒ−Ｓｉショットキーダイオードの理論セミログＪ−Ｖ曲線を示す。比較のため、図６は、標準的なＣｒ−Ｓｉショットキーダイオードについての計算されたＪ−Ｖ曲線６１６と、ｐ型Ｉｒ−Ｓｉ−Ｉｒ ＭＳＭダイオードについての予測されたＪ−Ｖ曲線６１０とを含む。実験結果は、障壁高さが低いＭＳＭダイオード、例えば、Ｎｉ−ＩｎＧａＡｓ−Ｎｉダイオードもしくはｐ型Ｉｒ−Ｓｉ−Ｉｒダイオードを潜在的に使用することが可能であり、ソーラー電気エネルギ変換のため、バイアスゼロにおいて、光周波数放射が効率的に整流されることを示している。さらに、図６は、軸６５２、軸６５４、及び、曲線６５６を含む差し込みグラフ６５０を含む。軸６５２は、電流密度（アンペア／ｃｍ２）である。軸６５４は、バイアス電圧（ボルト）である。曲線６５６は、ｐ型Ｃｏ−Ｓｉ−Ｐｔダイオードの線形Ｊ−Ｖ曲線を示す。
図７ａ−ｃは、図６の様々なＭＳＭダイオードのＪ−Ｖ曲線６１０、６１２、及び６１４に対応するエネルギバンドダイアグラム７００、７１０、及び、７２０の一例を示す。図７ｄは、図６のショットキーダイオードの理論セミログＪ−Ｖ曲線６１６に対応するエネルギバンドダイアグラム７３０の一例を示す。エネルギバンドダイアグラム７００、７１０、７２０、及び、７３０において、ｈ＋及びｅ−は、矢印７０２、７１２、７２２、及び、７３２により示された方向に沿って半導体層に放出された電荷キャリアを表している。
ｐ型Ｃｏ−Ｓｉ−ＰｔダイオードについてのＳｉ層７１４及びｎ型Ｃｒ−Ｓｉ−ＣｒダイオードについてのＳｉ層７２４が、５×１０１５ｃｍ−３もしくはそれ未満の濃度のドーパントでドープされていてもよい。ｐ型Ｃｏ−Ｓｉ−Ｐｔダイオードについて、Ｓｉ層７１４の厚さはおよそ３０ｎｍであってもよく、Ｐｔ層７１６と接触する表面はおよそ１×１０２０ｃｍ−３の概算表面濃度でホウ素により縮退的にドープされていてもよい。ｎ型Ｃｒ−Ｓｉ−Ｃｒデバイスについて、Ｓｉ層７２４の厚さはおよそ６０ｎｍであってもよく、Ｓｉ層７２４の一方の側面はおよそ２×１０２０ｃｍ−３の概算表面濃度でリンにより縮退的にドープされていてもよい。コンタクト抵抗Ｒｃ、すなわち、金属からＳｉへのキャリアトンネルインピーダンスは、Ｐｔ−Ｓｉ界面、及び、Ｃｒ−Ｓｉ界面のそれぞれについて、およそ５×１０−９Ωｃｍ２、もしくは、２×１０−８Ωｃｍ２と算出された。
ＭＳＭダイオードの大きさは、当該ダイオードの上部金属コンタクトと下部金属コンタクトとの間の半導体層の断面における重畳部分により定義される。ｐ型及びｎ型ＭＳＭダイオードについてのＪ−Ｖ曲線によれば、以下の等式により与えられるフォワードバイアスの関数として指数関数的に上昇することが示されている：
Figure 2015517221
 ここで、Ｊ０は、飽和電流密度、Ｔは温度、ｑは電子電荷、Ｖはダイオードにおけるバイアス、ｋＢはボルツマン定数、ηは理想係数(ideality factor)である。これは、ｐ型及びｎ型デバイスの両方について１．２５である。概して、これらのデバイスのシリコン層の厚さにより、熱イオン放出メカニズムに従う電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性となる。トンネリング寄与(tunneling contribution)は、特に低いバイアスにおいて小さくなると予測される。Ｃｏ−Ｓｉ−Ｐｔ及びＣｒ−Ｓｉ−Ｃｒダイオードについての対応するＪ０は、それぞれ、８．５×１０１Ａ／ｃｍ２もしくは１．３×１０−１Ａ／ｃｍ２である。これらの値は、Ｃｏ−Ｓｉ及びＣｒ−ＳｉショットキーダイオードについてＪ０の値より実質的に高い。
本開示において記載されたＭＳＭダイオードは、典型的なショットキーダイオードと同様のいくつかの特徴を有してもよいが、ＭＳＭダイオードは、典型的なショットキーダイオードと異なる特徴を含む。例えば、ＭＳＭダイオードにおいて、キャリアは金属エミッタから直接放出される。金属エミッタにおいて、電子密度は非常に高く、キャリアが半導体内を弾道的に移動する。さらに、金属エミッタ及び集電体の両方により、ＭＳＭダイオードにおける直列抵抗Ｒｓは、１０−１１Ωｃｍ２未満であってもよく、これは実質的に無視できる程であり、１００ＴＨｚより高いカットオフ周波数となる。
高い電流密度のため、ＭＳＭダイオードの真正カットオフ周波数リミットは、ダイオードジャンクションからの電子コンタクトが“燃え尽きる”前においては完全には明らかにされなかった。図６に示されたＪ−Ｖ曲線に基づけば、直列抵抗の上部リミットは、当該測定のノイズレベルによれば、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｐｔダイオード及びＣｒ−Ｓｉ−Ｃｒダイオードのそれぞれについて、５×１０−９Ωｃｍ２もしくは３×１０−８Ωｃｍ２と概算されうる。図６は、ＭＳＭダイオードの電流は、指数関数的上昇曲線からの相当のずれは示されていない。
シリコン層が完全に使い果たされるため、ＭＳＭダイオードのキャパシタンスは、以下の式により評価されうる：
Figure 2015517221
 ここで、εは誘電率、Ａは装置の大きさ、及び、ｄはシリコン層の厚さである。１ｃｍ２に標準化されたときのＣｏ−Ｓｉ−Ｐｔダイオード及びＣｒ−Ｓｉ−Ｃｒダイオードのそれぞれについての対応するキャパシタンスは、それぞれ、３．５×１０−７Ｆもしくは１．８×１０−７Ｆである。カットオフ周波数は、以下の式により評価されうる：
Figure 2015517221
 そして、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｐｔダイオード及びＣｒ−Ｓｉ−Ｃｒダイオードのそれぞれについて、１×１０１４Ｈｚ及び３．７×１０１３Ｈｚと概算される。
以下の表１は、様々なダイオードデバイスについての飽和電流密度Ｊ０をまとめたものである。観測されたＭＳＭダイオードの飽和電流密度は、実質的に、ｐ型及びｎ型ＭＳＭデバイスの両方について、理想電流制限金属−半導体ジャンクションを有する従来のショットキーダイオードのものより高い。ｐ型及びｎ型ダイオードについて観測されるＪ０は、典型的な熱イオン放出メカニズムを用いて算出された値より１００〜１０００倍高い。当該メカニズムは、あるキャリアのみが電流に寄与しうることを想定している。これらのキャリアは、障壁を超えるため、十分な運動エネルギを付与しうるそれらの速度の（ジャンクション界面に対して）垂直成分ν⊥を有する。
Figure 2015517221
数多くの態様が記載されている。それでもなお、本明細書において記載されたプロセス及び技術の精神及び範囲から逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。さらに、図面に示されたプロセスは、所望の結果を達成するため、示された特定の順序もしくは順番(sequential order)を要求しない。さらに、記載されたプロセスに他のステップを付与してもよいし、もしくは、記載されたプロセスから複数のステップを省略してもよい。他の構成要素を、記載された装置及びシステムに加えてもよいし、もしくは、省略してもよい。したがって、他の実施の形態も、以下のクレームの範囲内にある。

Claims (24)

  1. 第１の側面と前記第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有する半導体層であって、当該半導体層は前記第１の側面と前記第２の側面との間に所定の厚さを有し、前記半導体層の厚さは半導体層へ放出される電荷キャリアの平均自由行程に基づく半導体層と、
    前記半導体層の第１の側面上に堆積させた第１の金属層と、
    前記半導体層の第２の側面上に堆積させた第２の金属層と、を備えるダイオード。
  2. 前記半導体層の厚さは、前記半導体層へ放出される電荷キャリアの平均自由行程と同じもしくはそれ未満である請求項１に記載のダイオード。
  3. 前記ダイオードは、１００ＴＨｚを超えるカットオフ周波数を有する請求項１に記載のダイオード。
  4. 前記ダイオードは、１０００ＴＨｚを超えるカットオフ周波数を有する請求項１に記載のダイオード。
  5. 前記第１の金属層及び前記第２の金属層は同一の金属を含み、前記半導体層の界面は、オーミックコンタクトの形成のため縮退的にドープされている請求項１に記載のダイオード。
  6. 前記第１の金属層は第１の金属を含み、前記第２の金属層は第２の金属を含み、前記第１の金属と前記第２の金属とは異なる金属である請求項１に記載のダイオード。
  7. 前記半導体層の界面は、オーミックコンタクトの形成のため縮退的にドープされている請求項６に記載のダイオード。
  8. 前記半導体層は、結晶半導体及び多結晶半導体の１以上を含む請求項１に記載のダイオード。
  9. 前記半導体層は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫化鉛（ＰｂＳ）及びテルル化鉛（ＰｂＴｅ）の１以上を含む請求項８に記載のダイオード。
  10. 前記第１の金属層及び前記第２の金属層は、それぞれ、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、インジウム（Ｉｎ）、イリジウム（Ｉｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）及び亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む請求項１に記載のダイオード。
  11. 前記ダイオードは、金属−半導体−金属ヘテロジャンクションダイオード（ＭＳＭダイオード）を含み、前記ＭＳＭダイオードは、前記半導体層と、前記第１の金属層及び前記第２の金属層のうち１以上と、の間に設けられたヘテロジャンクションをさらに備える請求項１に記載のダイオード。
  12. 第１の側面と前記第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有する半導体であって、当該半導体は前記第１の側面と前記第２の側面との間に所定の厚さを有し、前記半導体の厚さは半導体へ放出される電荷キャリアの平均自由行程に基づく半導体を準備する工程と、
    前記半導体の第１の側面上に第１の金属を堆積させる工程と、
    前記半導体の第２の側面上に第２の金属を堆積させる工程と、を備える、ダイオード製造方法。
  13. 前記半導体の厚さは、前記半導体に放出される電荷キャリアの平均自由行程と同じもしくはそれ未満である請求項１２に記載の方法。
  14. 半導体を得ることが、
    半導体を含む層と、当該半導体と異なる少なくとも１種の材料を含む１以上の他の層と、を含む多層材料の基板を得ることと、
    半導体とキャリアウェハとの間に第１の金属を配置するため、半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合させることと、
    半導体の第２の側面を露出させるため、前記１以上の他の層を除去することと、を含んでいる請求項１２に記載の方法。
  15. 半導体の第１の側面上に第１の金属を堆積させることは、半導体の第１の側面をパターニングすることを含み、
    半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合することは、絶縁性接着剤を使用して、半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合することを含む請求項１４に記載の方法。
  16. 半導体の第１の側面上に第１の金属を堆積させることは、半導体の第１の側面に第１の金属を均一な金属フィルムとして堆積させることを含み、
    半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合することは、接着剤を使用して、半導体の第１の側面をキャリアウェハに接合することを含む請求項１４に記載の方法。
  17. 前記第１の金属と前記第２の金属とは同一の金属であり、
    当該方法は、オーミックコンタクトの形成のため、半導体層の表面を縮退的にドープする工程を備える請求項１２に記載の方法。
  18. 前記第１の金属および前記第２の金属は異なる金属である請求項１２に記載の方法。
  19. オーミックコンタクトの形成のため、半導体層の表面を縮退的にドープする工程をさらに備える請求項１８に記載の方法。
  20. 前記半導体が、結晶性半導体及び多結晶半導体の１以上を含む請求項１２に記載の方法。
  21. 前記半導体が、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫化鉛（ＰｂＳ）及びテルル化鉛（ＰｂＴｅ）の１以上を含む請求項２０に記載の方法。
  22. 前記第１の金属及び前記第２の金属は、それぞれ、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、インジウム（Ｉｎ）、イリジウム（Ｉｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）及び亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む請求項１２に記載の方法。
  23. 第１の側面と第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有するシリコン層であって、前記第１の側面の表面は、１×１０２０ｃｍ−３の表面濃度でホウ素によりドープされ、当該シリコン層は第１の側面と第２の側面との間に所定の厚さを有し、当該シリコン層の厚さは３０ｎｍであるシリコン層と；
    当該シリコン層の第１の側面上に堆積させたプラチナ層と；
    前記シリコン層と前記プラチナ層との間に設けられた第１ヘテロジャンクション界面と；
    前記シリコン層の第２の側面上に堆積させたコバルト層と；
    前記シリコン層と前記コバルト層との間に設けられた第２のヘテロジャンクション界面と、を含むｐ型金属−半導体−金属ヘテロジャンクションダイオード（ＭＳＭダイオード）。
  24. 第１の側面と第１の側面に対して反対側に設けられた第２の側面とを有するシリコン層であって、前記第１の側面の表面は、２×１０２０ｃｍ−３の表面濃度でリンによりドープされ、当該シリコン層は第１の側面と第２の側面との間に所定の厚さを有し、当該シリコン層の厚さは６０ｎｍであるシリコン層と；
    当該シリコン層の第１の側面上に堆積させた第１のクロム層と；
    前記第１のクロム層と前記シリコン層との間に設けられた第１ヘテロジャンクション界面と；
    前記シリコン層の第２の側面上に堆積させた第２のクロム層と；
    前記第２のクロム層と前記シリコン層との間に設けられた第２ヘテロジャンクション界面と、を含むｎ型金属−半導体−金属ヘテロジャンクションダイオード（ＭＳＭダイオード）。
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