專利名稱：用離子束改性技術(shù)控制半金屬場效應(yīng)管溝道材料的載流子密度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種半金屬場效應(yīng)管，特別涉及半金屬溝道材料的局部改性方法，可以使各種半金屬溝道的場效應(yīng)管都實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性。
半金屬(準(zhǔn)金屬)材料的特點(diǎn)是電阻率ρ＝10-4～10-5Ω·cm比金屬(銅的ρ＝1.72×10-6Ω·cm)只大一二個量級，但載流子密度(N＝1017～1019/cm3)卻比銅(N＝9×1022/cm3)低4～6個量級。例如Bi的N＝2.7×1017/cm3ρ＝1.16×10-4Ω·cm；石墨單晶N＝1018～1019/cm3ρ＝4×10-5Ω·cm。因此可以充分利用其載流子密度低(便于用靜電場控制)同時(shí)電阻率低(導(dǎo)通損耗小)的獨(dú)特特性來做半金屬場效應(yīng)管。在《微納電子技術(shù)》2002年第12期上刊載的由中國科學(xué)院物理研究所何堯等寫的《碳納米管晶體管》一文P11頁提到“為了得到半導(dǎo)體性納米管，就必須將金屬性納米管破壞掉。而在空氣中讓多壁碳納米管或者納米管束通過大電流(約200μA)就可以使金屬性納米管被氧化剝離掉，而半導(dǎo)體性納米管由于通過管內(nèi)的電流很小并沒有受到破壞，這樣就可以只得到半導(dǎo)體性的單壁碳納米管?！边@是已有的控制導(dǎo)電溝道載流子密度的一種方法，該方法只適用碳納米管。
本發(fā)明的主要目的是提供一種對所有半金屬都適用的在局部區(qū)域有控制的永久改變其載流子密度的方法，使各種用半金屬做導(dǎo)電溝道的場效應(yīng)管都具有開關(guān)特性。
本發(fā)明是實(shí)現(xiàn)楊金玉的《金屬-絕緣-金屬場效應(yīng)管》(0110672.9)和《金屬絕緣-石墨化碳場效應(yīng)管》(0311425.X)發(fā)明的一種工藝方法。在下面結(jié)合附圖
的討論中，本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更清楚。圖中1.是作場效應(yīng)管導(dǎo)電溝道用的半金屬材料(比如Bi，Sb，石墨-含碳纖維、碳納米管，合金，導(dǎo)電聚合物等)2.為高介電系數(shù)高介電強(qiáng)度的絕緣介質(zhì)。3.為金屬薄膜，分割成G1、G2、G3是場效應(yīng)管的控制柵極，都有外引線。5.為良導(dǎo)體薄膜，分割成A、A1、A2和K，只有A和K有外引線，分別作陽極A和陰極K。4.表示離子束對導(dǎo)電溝道材料進(jìn)行局部注入的區(qū)域。從本圖中不難發(fā)現(xiàn)A-G1-A1；A1-G2-A2；A2-G3-K都是常見的FET結(jié)構(gòu)。圖中①是上面第一個FET的導(dǎo)電溝道；而②是緊接著的第二個FET的導(dǎo)電溝道；③是最下面第三個FET的導(dǎo)電溝道。實(shí)際上這三個FET互相串聯(lián)構(gòu)成一個整體，可提高耐壓。
我們知道場效應(yīng)管的工作機(jī)理是利用電容的靜電場對電子或空穴產(chǎn)生吸引或排斥的原理來控制這些載流子的。靜電場的大小與所加的最大(介質(zhì)膜不被擊穿)電壓及選用什么介質(zhì)材料有關(guān)，一般可用比容來評價(jià)。如SiO2薄膜的比容為50pf/mm2，Al2O3比容280pf/mm2，Ta2O5比容630pf/mm2。比容大表示在同樣電壓下靜電場力大，可控制的載流子數(shù)就多。當(dāng)介質(zhì)膜選定之后，場效應(yīng)管能夠控制的載流子數(shù)nmax就定下來了，由于電容極板下面導(dǎo)電溝道中所對應(yīng)的載流子數(shù)＝載流子密度N×對應(yīng)溝道體積，所以溝道材料的最大載流子密度Nmax也就定下來了。如果所選溝道材料的載流子密度大于Nmax，則柵極靜電場就無法全控這些載流子，正如前面引用的文章中所提及的金屬性多壁碳納米管那樣，無法實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。從目前常用的介質(zhì)材料可推算出可控載流密度大致為1017～1018/cm3。那么1018～1019/cm3的石墨和Sb能實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能嗎？這正是本發(fā)明要解決的問題。解決方案是設(shè)法局部改變石墨，Sb的物性一適當(dāng)降低其載流子密度(＜Nmax)以滿足柵極正負(fù)電場可全部排斥光這些載流子(導(dǎo)電溝道截止)或吸引更多的載流子(減小導(dǎo)通電阻)的要求，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。
借助70年代中期發(fā)展起來的離子束材料改性技術(shù)，可完美地實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)思。
離子注入是指從離子源中引出的離子經(jīng)過加速管加速電位的加速使離子獲得很高的能量，而后進(jìn)入磁分析器使離子純化，分析后離子可再加速以提高離子的能量，再經(jīng)過兩維偏轉(zhuǎn)掃描器使離子束均勻的注入到材料的表面，用電荷積分儀可精確的測量注入離子束的數(shù)量，調(diào)節(jié)注入離子的能量可精確的控制離子的注入深度。對本發(fā)明離子注入的確是非常合適的技術(shù)手段。因?yàn)?1)它可以針對不同材料注入不同離子；(2)注入數(shù)量可控，注入深度可控，注入?yún)^(qū)域可控而且具有很高精確性和重復(fù)性，對大批量生產(chǎn)非常有利。當(dāng)然有時(shí)還需熱處理配合才能產(chǎn)生更好的效果。
下面以碳纖維為例作進(jìn)一步的說明高模量碳纖維由石墨微晶組成，微晶的一個軸沿纖維軸高度擇優(yōu)平行排列。這種取向非常有利于提高碳纖維的導(dǎo)電率。(電子在石墨層間沿平行方向移動時(shí)跑得快阻力小，而沿垂直方向阻力卻很大。Bi、Sb都有類似特性)。過去有人使用高溫加熱，添加溴、氟等元素形成層間化合物可大大降低石墨的電阻率。我們的做法正好相反，希望通過添加某些能束縛石墨中自由電子的元素或化合物，以減少自由電子的密度(比如向碳纖維注入Si正離子束，在碳纖維中生成非常穩(wěn)定的SiC便可有效降低該注入?yún)^(qū)的自由電子密度)。當(dāng)然對不同材料，應(yīng)該注入不同的元素或化合物，而且可以是多個方案。這種局部減少載流子的做法非常適合半金屬性的Bi，Sb石墨一含碳纖維，碳納米管，因?yàn)樗麄兊妮d流子密度，本來就比較少，比較接近最大可控載流子密度Nmax，因此由載流子減少而增加溝道電阻的增加值也不會太大(而且可以通過在柵極上加合適電壓吸引更多的載流子到溝道來的辦法予以補(bǔ)償)。
理論上提高場效應(yīng)管性能還須從降低接觸電阻和減少溝道長度著手，附圖中良導(dǎo)體5的A和K就是為了進(jìn)一步減少陽極陰極外引線的接觸電阻，對碳纖維可用離子注入法在兩端注入鈮、鉭、鎢、鈦等元素減少引出線接觸電阻。而A1和A2的作用是為了進(jìn)一步降低導(dǎo)電溝道的總電阻，如有必要可用離子注入法予以實(shí)現(xiàn)。對于碳纖維、銻等本來電阻率較低的材料也可省去A1和A2，因?yàn)楸浑x子注入而載流密度減少的溝道電阻有較大的增加，將決定整個溝道電阻的串聯(lián)值。減少溝道長度可減少這部分電阻一離子注入技術(shù)可輕易做到這一點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種半金屬場效應(yīng)管，其特征在于a.采用半金屬特性的鉍、銻、碳纖維、碳納米管、導(dǎo)電聚合物做導(dǎo)電溝道；b.場效應(yīng)管采用一個陽極、一個陰極和多個柵極的結(jié)構(gòu)。
2.一種制造半金屬場效應(yīng)管的方法，其特征在于a.用離子束改性技術(shù)向被柵極復(fù)蓋的半金屬溝道材料注入適當(dāng)?shù)脑鼗蚧衔?，有控制地造成該局部區(qū)域的載流密度永久性地減?。籦.用離子束改性技術(shù)向沒有被柵極復(fù)蓋的半金屬溝道材料注入適當(dāng)?shù)脑鼗蚧衔?，有控制地造成該局部區(qū)域的載流子密度永久性地增多。
全文摘要
半金屬材料B
文檔編號H01L29/786GK1581512SQ0313445
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者楊金玉 申請人:楊金玉