[发明专利]采用突变金属-绝缘体转变半导体材料的二端子半导体器件

说明书

本申请是申请日为2004年12月20日且发明名称为“采用突变金属-绝缘体转变半导体材料的二端子半导体器件”的中国专利申请No.200410103374.2的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，并且特别涉及一种采用突变金属-绝缘体转变(metal-insulator transition，MIT)半导体材料的二端子半导体器件及其制造方法。

背景技术

近来，采用结构相变材料的存储器已经引起了人们的注意并且关于该存储器的研发已经积极进行着。采用结构相材料的存储器的例子已经公开在美国专利No.5,687,112中。所公开的存储器是使用结晶相和在高温下出现的无定形相的相变存储器(phase change memory，PCM)。该装置可用作存储器，这是因为它能够利用按照结构相变的相改变。然而，该装置不能用于其他用途，如开关器件，这是因为由于按照结构相变的原子的位置改变不能实现快速的开关速度。如果要求快速的开关速度，那么该存储器由于滞后现象可能会损坏。相变存储器的缺点是其应用受到限制。

另一方面，连续的金属-绝缘体晶体管，即，使用了处于允许第二转变的绝缘体中的Mott-Hubbard绝缘体的Mott-Hubbard场效应晶体管，已经作为利用金属-绝缘体转变的半导体器件提出。Mott-Hubbard场效应晶体管已经由D.M.Newns、J.A.Misewich、C.C.Tsuei、A.Gupta、B.A.Scott和A.Schrott公开在Appl.Phys.Lett.73(1998)780中。Mott-Hubbard场效应晶体管根据金属-绝缘体转变实现ON/OFF操作。与传统的MOS场效应晶体管不同，该晶体管的集成密度能显著改进，这是因为不存在耗尽层。同样，与MOS场效应晶体管相比，Mott-Hubbard场效应晶体管具有更高速度的开关特性。然而，必须加入用于载流子的电荷直到Mott-Hubbard场效应晶体管达到金属特性为止，这是因为Mott-Hubbard场效应晶体管使用连续发生的MIT。因此，所加入的电荷必须具有高浓度，并且栅绝缘层的介电常数必须高，栅绝缘层的厚度必须薄，并且所施加的栅电压必须大于所加入电荷的高浓度。然而，如果介电常数太高，由于电介质的疲劳特性可在高开关速度下劣化，因此晶体管的寿命降低。存在制作薄绝缘体的工艺限制。而且，当栅电压太高时，存在功耗高的缺点。

为了解决这些问题，采用非连续转变的突变MIT半导体材料的开关场效应晶体管已经公开在美国专利No.6624463中。该突变MIT半导体材料具有一种特性，即：通过加入低浓度空穴到Mott-Brinkman-Rice绝缘体中，从绝缘体到金属的转变快速而非连续地发生。该空穴驱动金属-绝缘体转变理论已经公开在由Hyun-Tak Kim发表在北约科学丛刊(NATO Science Series)Vol II/67(Kluwer，2002)pp.137以及网址http://xxx.lanl.gow/abs/cond-mat/0110112的文章“超导电性的新趋势(New Trendin Superconductivity)”中。Hyun-Tak Kim、Byung-Gyu Chae、Doo-Hyeb Youn、Sung-Lyul Maeng、Gyungock Kim、Kwang-Yong Kang以及Yong-Sik Lim在新物理杂志(New Journal of Physics)6(2004)52中还已经公开了关于采用二氧化钒(VO₂)的突变MIT的研究，其中二氧化钒是代表性的Mott-Brinkman-Rice绝缘体。使用连续金属-绝缘体转变材料的场效应晶体管的问题在开关场效应晶体管中解决了，这是因为所加入的空穴浓度非常低。然而，突变MIT半导体材料的可用性受到限制，并且形成突变MIT半导体材料层的成本高。

发明内容

本发明提供了一种二端子半导体器件，其采用容易以低成本形成的突变MIT半导体材料(abrupt MIT semiconductor material)而不产生结构相变。

本发明还提供一种制造采用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件的方法。

本发明中的半导体是具有小于2eV的能隙以及空穴能级或者电子能级并且低温下用作绝缘体的材料。空穴能级表示该材料具有空穴，电子能级表示该材料具有电子，并且该材料包括有机和无机材料。