专利名称：量子型光电晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电晶体管，特别是涉及到这样的量子型光电晶体管，它在通过可靠地将量子结构如信道中的点接触、量子细线与量子点应用到半导体材料上，使得由传导区的量子效应即由一维或零维的电子或空穴的约束能产生出一个势垒而此势垒受到到达光子控制的条件下，用光或电磁波照射时，可以控制其中信道电流的流动与强度。
此时，若是事先已给此光电晶体管施加了反向电压，则当它没有光或电磁波照射时，便只有很少的反向电流流动。
若是在事先已给此光电晶体管施加了反向电压的条件下以光或电磁波照射时，则所照射的光或电磁波便会产生电子与空穴，使反向信道电流增大。这样就可输出与此入射光与电磁波相对应的一定信道电流。所输出的电流称为光电流。
这就是说，光电晶体管是能起到光电管作用的半导体器件，同时它已广泛用于相片传真电报、有声影片复制、穿孔带阅读等方面。此外，由于光电晶体管可以制作得比光电管小，这就能极其方便地将许多个光电晶体管用于狭窄空间内。这种光电晶体管由于其波长灵敏度特性已不止是在可见光范围而更延伸到红外线波段，因而已广泛用于包括红外通信、红外探测、窃听报警装置等方面。
图1是普通的光电晶体管结构的横剖图。
如图1所示，此普通的光电晶体管是由n型集电极层11、p型基极层12与n型发射极层13顺序地叠层到半导体基片10上形成。电极14与15则分别形成于n型发射极层13之上和半导体基片10之下。
p型基极层12具有多量子阱结构。
在具有上述结构的普通光电晶体管中，当未对它加电功率时，n型集电极层11与n型发射极层13的导带EC和价带EV所具有的能级低于p型基极层12的导带EC与价带EV所具有的能级，如图2A所示。
在此，与n型发射极层13紧邻的p型基极层12的阱20同其他部分的阱21相比，具有较小的带隙和较大的宽度。阱20的摩尔浓度可以高于其他部分的阱21的摩尔浓度。
当通过电极14与15将电功率加到n型发射极层13与半导体基片10之上时，n型发射极层13的导带EC与价带EV的能级加大，而n型集电极层11的导带EC与价带EV的能级则相对地进一步减小，如图2B所示。
在上述状态下以光或电磁波照射时，空穴便由于所照射的光或电磁波而从束缚态激发到连续态，并在所加的电功率的作用下移向n型发射极层13。于此同时，这些空穴在其移向n型发射极层13的过程中，便易被约束于阱20之中。
于是有大量的空穴集中到此阱20内，同时有大量的电子移动到阱20内以满足中性条件，然后这些移动的电子便移向n型集电极层11。结果，信道电流可以流入其中。
但在这种普通的光电晶体管中，n型发射极层13的导带与价带的能级应该增大，而集电极层11的导带与价带的能级应该减小，以便促进电子的流动。此外，应该对此施加高于预定能级的电功率以便减小此能级，而这样就增加了电功率的消耗。因此这是不适用于要求以低电压操作的光电晶体管的。
此外，上述的普通光电晶体管由于其结构复杂是难以制造的。同时，这种光电晶体管的尺寸应该加大以便改进其灵敏性，因而难以小型化。
本发明的另一目的在于提供这样的量子型光电晶体管它能允许光电流流入单一截流子中，从而有高的放大率和很快的信号传输速率。
为了实现上述各目的，在由本发明提供的量子型光电晶体管中，传导区是由这样的量子结构形成，其中于两个电极间形成了空穴或电子的约束能量差，而当光或电磁波照射到此量子结构中产生的空穴或电子的部分耗尽区上时，此部分耗尽区中便产生电子-空穴对，释放此耗尽区，于是信道电流就流入其中。
图1为普通光电晶体管结构的横剖图；图2A与2B分别为电功率加到普通光电晶体管上之前与之后的能带结构图；图3A、3B、4A、4B为本发明的量子型光电晶体管的工作原理图；图5为依据本发明一实施例的量子型光电晶体管的构造原理图；图6为依据本发明另一实施例的量子型光电晶体管的构造原理图；图7为将本发明的量子型光电晶体管用于SOI结构的实例图；图8、9A与9B为本发明的量子型光电晶体管的能带图；图10A与10B为本发明的量子型光电晶体管的传导特性测量结果的曲线图；图11为本发明的量子型光电晶体管的灵敏度特性测量结果的曲线图。
如图3A所示，在把对应于源极30与漏极31间导带32的耗尽区的势垒33设定到高于费米能级34的条件下时，若其没有光或电磁波照射，电子35的流动便受到此势垒33的控制或阻止。
如图3B所示，当以光或电磁波照射时，由光或电磁波产生的空穴36便聚集于价带37的部分耗尽区38中，而势垒33的高度由于这些聚集的空穴36便相对地降低。这样，电子便在源极30与漏极31之间流动。
类似地，如图4A所示，在把对应于源极40与漏极41间价带42的耗尽区的势垒43设定到高于费米能级44的条件下时，若是没有光或电磁波照射，空穴45的流动便受到此势垒43的控制或阻止。
如图4B所示，当以光或电磁波照射时，由光或电磁波产生的电子46便聚集于导带47的部分耗尽区48中，而势垒43的高度由于这些聚集的电子便相对地降低。这样，空穴45便在源极40与漏极41之间流动。
于是，电子35与空穴45的流动便变成了所照射的光与电磁波产生的信道电流，而此电流本身又用于传输信号。
具体地说，当以光或电磁波照射时，尽管在价带37的部分耗尽区38中聚集的空穴数少，但可以有大信道电流流动，同时虽然在导带47的部分耗尽区48中聚集的电子数少，但也可以有大信道电流流动。于是，即使是以微弱的光或电磁照射时，这些空穴与电子仍可通过由量子效应形成的势垒33与43而作为电信号传输。
如图5所示，在采用上述原理的量子型光电晶体管中，于源极50与漏极51的传导区52的一部分上形成了具有宽度小于数百个nm量子尺寸的瓶颈结构的过渡部53。
在具有本发明的瓶颈结构的过渡部53中，当没有光或电磁波照射时，由于量子效应，在此瓶颈结构的过渡部53中会发生传导载流子的耗尽现象，而这同半导体材料中所出现的表面耗尽现象是一致的。
因此，当于源极50与漏极51之间不以光或电磁波照射或不施加合适的电压时，因电子或空穴流动产生的信道电流就不能作为信号通过导带或价带的势垒传输。
此外，由于在光或电磁波照射下导带或价带的势垒降低了，电子与空穴便能通过过渡部53，而信道电流则可流入其中。
再有，本发明的上述原理可以简单地由种种具体形式体现。如图6所示，通过给部分传导区52增添纳米级宽度的耗尽感生物质60，这部分耗尽感生物质60的费米能级便会增加，于是可以取得与具有瓶颈结构的过渡部53中相同的效应。
本发明中，于半导体表面上量子化的传导区52可以直接形成在块体型的半导体上；或如图5与6所示，可以在SOI(硅-绝缘材料)结构中由物理与化学方法蚀刻硅膜72而形成，其中氧化硅膜71与薄的硅膜72顺序地淀积于此硅基片70之上，如图7所示。然后，通过在此传导区内作离子注入使电子或空穴的费米能级增大，这样便总有电流流入其中。
于此同时，为了形成部分耗尽区，就不应对具有瓶颈结构的过渡部53或耗尽感生物质60作离子注入，以使电子或空穴的费米能级低于此部分耗尽区的能级。这就是说，通过形成低维结构的传导电子与空穴层用于产生传导电子的量子效应而在传导区52的一部分上形成部分绝缘区，这样，在此部分绝缘区的影响下，上述电子与空穴层内可以是部分耗尽的。
本发明中，可在单块式的半导体上或SOI基片上设置许多光电晶体管，这些个晶体管可以相互串联、并联和取矩阵形式。于是，此多个光电晶体管可以用于增大输出电流或用于图像传感器等。
图8示明由上述方法形成的结构的能带图。图8中作为硅基片的例子示明了在具有瓶颈结构的过渡部53中形成传导载流子的物理性质的意义。
如图9A所示，在掺杂有高浓度离子的处于源极50与漏极51之间区域的能带图表明，传导电子的费米能级90升高了，因而导带81可以常为自由电子填充。另一方面，由于在具有瓶颈结构的过渡部53中经蚀刻处理所保留的传导区经形成为厚度小于数百个nm，因而在此半导体的表面上产生了上述势垒与费米能级90锁合(pinning)现象一致的结果。如图9B所示，在硅层与氧化硅膜之间，导带81与价带82升高了，类似于MOSFET中所发生的现象。这样，传导电子便成为耗尽的。
本发明的光电晶体管具有极为简单的结构。此外，它借助量子效应事先耗尽大量的传导电子与空穴，使得即使是借助少量的电子与空穴也能有大信道电流流动。因此，本发明的光电晶体管有高灵敏度和高放大率的功能。
本发明的光电晶体管的光电导特性业已测量，得到了如图10A与10B所示的结果。
这两个图示明了将适当的电压加到源极50与漏极51之间时它们之间的传导特性，也即光强与具有瓶颈结构的过滤部分宽度变化间的关系。
如图10A所示，此传导区愈宽，源极50与漏极51间的传导性也愈大。但当此传导区变得太宽，或在其中没有形成利用量子效应构成的具有瓶颈结构的过滤部，或是在绝缘结构中截断传导电子层时，此光电晶体管就不能工作。
特别参看图10B，当具有瓶颈结构的过渡部具有200nm的宽度时，可以获得最好的响应特性。但是，这类响应特性是会因材料性质与传导载流子的种类而变化的。
再如图11所示，当光与电磁波的强度愈高则信道电流也愈大。从此强度与电流的梯度可知，能够实现具有超过105A/W(安/瓦)的高灵敏度或超过105倍的高放大率的量子型光电晶体管。
尽管本发明业已参考最佳实施例作了图示与说明，但显然，对本项技术有一般知识的人在不背离权利要求书所规定的范围与精神的前提下，是可以作出任意的变动或改进的。
例如在本发明的光电晶体管中，当把光信号变换为电信号时，可只有电子或空穴用作传导要素。此外，本发明的光电晶体管所具的结构，可使呈瓶颈结构的过渡部因量子效应而有的势垒只通过几个电子或空穴即可降低。于是可以获得高灵敏度同时可由批量制法将纳米级元件高度集成。尽管所述传导电子层的耗尽区在图5中是形成于表面上，但也能三维地制造上下对称的结构。因量子效应产生的传导电子层的部分绝缘区并不必需是位于此层的中央，而是可以位邻近其边缘处。再有，因量子效应产生的部分绝缘区并不必需由化学蚀刻形成，而也可以由采用金属电极的耗尽层形成。由于此部分绝缘区与源极或漏极间的距离很小，这就可以减少总体电阻而加大信道电流。此外，通过在硅基片上淀积具有高介电常数的材料可以形成部分势垒。
图5、6与7示明了采用硅半导体在绝缘体上形成薄膜型硅结构的例子。前述目的则可以通过形成调制的掺杂量子阱或III-V族半导体的异质结构来达到。此外，也可以采用具有与光或电磁波相应传导性的金属、锗、块体型硅基片或其他材料。前述目的还可以通过制造立式结构来取代图5所示的表面结构来实现，这样就易于由其他元件进行叠层。
如上所述，由于本发明的量子型光电晶体管具有简单的结构和对于光或电磁波的高灵敏度，它就也能用作光检测器或光敏器件。此外，本发明的具有高性能的量子型光电晶体管可以取代普通的光电晶体管，或可以用作具有新功能的元件。
由于可以用简便的方式连接起多个本发明的量子型光电晶体管，通过批量制法于同一芯片上形成放大电路，此多个光电晶体管就能有高的输出而能用于一维或二维的图像传感器。此外，由于有很大的输出电流，发光装置例如发光二极管就可以由附于其上的电源直接驱动。
此时，由于光输出大于光输入，这种量子型光电晶体管就可以用于红外线摄像机和用作模拟或数字光路中的光存储器例如光放大器。
这种能响应任意波长的光或电磁波的光电晶体管以及具有任意放大率的光电晶体管，可以通过由量子效应任意地控制传导电子的耗尽能级来构造。
权利要求
1.一种量子型光电晶体管，其特征是此晶体管包括形成于半导体基片两侧上以输出光电流的两个电极；设于所述半导体基片的上述两电极之间的传导区，而空穴与电子则可通过此传导区流动；形成在此传导区中的具有瓶颈结构的过渡部，此过渡部设有一个部分势垒用于截止上述电子或空穴的流动，而当有光或电磁波照射于其上时，通过释放此势垒允许上述电子或空穴流动。
2.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是此晶体管还包括许多所述的部分势垒。
3.根据权利要求1或2所述的量子型光电晶体管，其特征是所述部分势垒是形成于导带中并构造成借助通过其间的空穴由所述电子流形成前述的光电流。
4.根据权利要求1或2所述的量子型光电晶体管，其特征是所述部分势垒是形成于价带中并构造成借助通过其间的电子由所述空穴流形成前述的光电流。
5.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述具有瓶颈结构的过渡部由量子线形成。
6.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述具有瓶颈结构的过渡部由量子点形成。
7.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述传导区是形成在块状硅基片上。
8.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述传导区是由金属材料形成的，而所述部分势垒的部分耗尽区则是由绝缘材料形成。
9.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述两个电极、传导区和具有瓶颈结构的过渡部形成为具有调制的掺杂量子阱或采用III-V族半导体的异质结构。
10.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述两个电极、传导区和具有瓶颈结构的过渡部形成于采用硅半导体的MOS结构上。
11.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述两个电极、传导区和具有瓶颈结构的过渡部形成于在硅基片上形成的金属薄膜与氧化物膜上。
12.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述传导区形成于一个SOI基片上。
13.根据权利要求1所述的量子型光电晶体管，其特征是所述部分势垒是由具有高介电常数的材料在前述硅片之上堆积而成。
全文摘要
本发明涉及一种量子型光电晶体管,通过可靠地将量子结构如信道中的点接触、量子细线与量子点应用到半导体材料上,在使得由传导区的量子效应即由一维或零维的电子或空穴的约束能产生出一个势垒,而此势垒受到到达光子控制的条件下,用光或电磁波照射时可以控制其中信道电流的流动与强度,由其中于两个电极间形成了空穴或电子的约束能量差的量子结构形成了传导区,而当光或电磁波照射到此量子结构中产生的空穴或电子的部分耗尽区上时,此部分耗尽区中便产生电子一空穴对,释放此耗尽区而电流就流入其中。
文档编号H01L31/10GK1371135SQ0112062
公开日2002年9月25日 申请日期2001年7月17日 优先权日2001年2月26日
发明者金勋 申请人:常绿Korea株式会社