热电子晶体管的制作方法

专利名称：热电子晶体管的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及晶体管，尤其涉及基于隧穿结构的晶体管及其应用。更具体地，本发明涉及基于隧穿结构的薄膜晶体管及其应用。
背景技术：
1960年，米德(Mead)1首先提出包括金属-绝缘体-金属-绝缘体-金属(M-I-M-I-M)结构的隧穿热电子晶体管放大器，而Heiblum2于1981年对其作了详细分析。现在转到附图，只要可能，所有附图中相近的组件由相似的参考标号表示。转向图1，图示为现有技术中一种示例性的M-I-M-I-M晶体管。注意，为了清楚，这些图并没有按照比例示出。
图1示出一种典型的M-I-M-I-M晶体管的局部截面图，该M-I-M-I-M晶体管通常由参考标号100表示。M-I-M-I-M晶体管100包括金属和绝缘体的交替的单层，其包括发射极110，基极112，集电极114，发射势垒116和集电势垒118。
其他研究者也已经研究了使用外延的金属-绝缘体结构3、III-V半导体结构4a，4b和使用铁磁性金属4c和绝缘体4d结构的类似的晶体管结构。
此外，在很多电路应用中，使用互补的晶体管对是有利的，这样可使得一个晶体管导通并具有正的基极-发射极电压，而另一个互补的晶体管导通并具有负的基极-发射极电压。以此方式，可以构建推挽式放大器或者开关电路。这种器件的示例包括使用较低静态功率的硅互补型金属氧化物半导体(CMOS)或者双极推挽式功率放大器。
现有技术的热空穴晶体管8具有与前述热电子晶体管相同的M-I-M-I-M。器件的操作也是类似的，不过所述器件中的电荷载体为空穴，而非电子。然而，现有技术的热空穴晶体管与现有技术的M-I-M-I-M热电子晶体管存在相同的问题。
如下文将示出的，本发明通过其自身能力，提供了具有增强性能的耐用薄膜器件，同时解决了本技术领域现有状况中存在的上述问题，从而有效地提供一种对于上述现有技术的显著改进。

发明内容
如在下文的更详细的描述，这里公开一种适于接收至少一种输入信号的热电子晶体管。该晶体管包括发射极和与发射极隔开的基极，使得至少一部分所述输入信号被应用到所述发射极和所述基极，而使电子从所述发射极朝向所述基极发射。所述晶体管还包括置于所述发射极与所述基极之间，并被设置用于所述发射极与所述基极之间的电子传输的第一隧穿结构。所述第一隧穿结构至少包括第一非晶绝缘层和与其不同的第二绝缘层，该第二绝缘层被设置为直接邻近所述第一非晶绝缘层，并被设置为与所述第一非晶绝缘层协作，使得所述电子传输至少部分地包括利用隧穿的传输。所述晶体管进一步包括与所述基极隔开的集电极，和位于基极与集电极之间的第二隧穿结构。该第二隧穿结构被设置用于在所述基极与所述集电极之间传输从所述发射极通过弹道传输被发射的至少一部分电子，使得所述一部分电子在所述集电极可被收集。所述输入信号可包括例如偏置电压，信号电压或者电磁辐射。
在另一个方面，对于所述晶体管，所述基极和所述集电极中至少所选的一个，至少部分地由半金属形成。可选地，所述基极和所述集电极中至少所选的一个，至少部分地由金属硅化物或者金属氮化物形成。
在又一个方面，所述第二隧穿结构被设置以表现出热电子反射的第一值，其中所述第二隧穿结构包括成型势垒能带特性，使得所述热电子反射的第一值低于热电子反射的第二值，所述热电子反射的第二值是所述第二隧穿结构在不具有成型势垒能带特性时所表现出的值。更具体地，所述成型势垒能带特性包括第二隧穿结构的抛物线梯度。
在另一个方面，所述晶体管被设置以表现出电子发射能量宽度的第一值，其中所述第一隧穿结构包括成型势垒能带特性，使得所述电子发射能量宽度的第一值小于可能电子发射能量宽度的第二值，电子发射能量宽度的第二值是晶体管在不具有成型的势垒能带特性时表现出的值。
在又一个方面，所述发射极被设置以表现出给定的费米能级，其中所述第一隧穿结构被设置以表现出给定导带，使得所述给定导带与所述给定费米能级之差小于2电子伏特。
在进一步的一个方面，公开了一种适于接收至少一种输入信号的热空穴晶体管。该晶体管包括发射极和与发射极隔开的基极，使得至少一部分所述输入信号被应用到所述发射极和所述基极，而使空穴从所述发射极朝向所述基极发射。所述晶体管还包括置于所述发射极与所述基极之间，并被设置用于所述发射极与所述基极之间的空穴传输的第一隧穿结构。该第一隧穿结构至少包括第一非晶绝缘层和与其不同的第二绝缘层，该第二绝缘层被设置为直接邻近所述第一非晶绝缘层，并被设置为与所述第一非晶绝缘层协作，使得所述空穴传输至少部分地包括利用隧穿的传输。所述晶体管进一步包括与所述基极隔开的集电极，和位于基极与集电极之间的第二隧穿结构。该第二隧穿结构被设置用于在所述基极与所述集电极之间传输从所述发射极通过弹道传输被发射的至少一部分空穴，使得所述一部分空穴在所述集电极被收集。
在另一个方面，还公开了一种用于热电子晶体管的方法，所述的热电子晶体管中包括多个层，所述层间限定多个界面，弹道电子在所述层间进行传输，所述多个层至少包括彼此相邻且并置的第一层和第二层，在所述第一层与所述第二层之间限定第一界面，使得至少一部分所述弹道电子在所述第一界面可被反射。一种用于在至少所述第一界面减少电子反射的方法，包括构造所述第一层以表现出第一选择波函数；和构造所述第二层以表现出第二选择波函数，使得所述弹道电子的第一部分在所述第一界面被反射；其中所述弹道电子的所述第一部分少于所述弹道电子的第二部分，所述的弹道电子的第二部分是在没有构造所述第二层以表现出所述第二选择波函数时在所述第一界面被反射的部分。
在又一个方面，公开了一种适于接收至少一种输入信号的晶体管。所述晶体管包括发射极和基极，该基极与所述发射极隔开，使得至少一部分所述输入信号被应用到所述发射极和所述基极，而使电子从所述发射极朝向所述基极发射。所述晶体管还包括第一隧穿结构，该第一隧穿结构被置于所述发射极与所述基极之间，并被设置用于所述发射极与所述基极之间的电子传输。所述晶体管进一步包括与所述基极隔开的集电极和第二隧穿结构，该第二隧穿结构被置于所述基极与所述集电极之间，并被设置用于在所述基极与所述集电极之间传输从所述发射极通过弹道传输被发射的至少一部分电子，使得所述一部分电子在所述集电极可被收集。其中，所述第二隧穿结构被设置以表现出热电子反射的第一值，所述第二隧穿被进一步设置以表现出选择的波函数，使得所述热电子反射的第一值低于热电子反射的第二值，所述热电子反射的第二值是所述第二隧穿结构在不具有选择的波函数时所表现出的值。
在另一个方面，公开了一种适于接收至少一种输入信号的线性放大器。所述线性放大器包括热电子晶体管，该热电子晶体管包括第一发射极；第一基极，该第一基极与所述第一发射极隔开，使得所述输入信号的至少第一部分被应用到所述第一发射极和所述第一基极，而使电子从所述第一发射极朝向所述第一基极发射；第一隧穿结构，该第一隧穿结构被置于所述第一发射极与所述第一基极之间，并被设置用于所述第一发射极与所述第一基极之间的电子传输，所述第一隧穿结构至少包括第一非晶绝缘层和与其不同的第二绝缘层，所述第二绝缘层被设置为直接邻近所述第一非晶绝缘层，并被设置为与所述第一非晶绝缘层协作，使得所述电子传输至少部分地包括利用隧穿的传输；第一集电极，该第一集电极与所述第一基极隔开；和第二隧穿结构，该第二隧穿结构被置于所述第一基极与所述第一集电极之间，并被设置用于在所述第一基极与所述第一集电极之间传输从所述第一发射极通过弹道传输被发射的至少一部分电子，使得所述一部分电子在所述第一集电极可被收集。所述线性放大器还包括热空穴晶体管，该热空穴晶体管包括第二发射极；第二基极，该第二基极与所述第二发射极隔开，使得所述输入信号的至少第二部分被应用到所述第二发射极和所述第二基极，而使空穴从所述第二发射极朝向所述第二基极发射；第三隧穿结构，该第三隧穿结构被置于所述第二发射极与所述第二基极之间，并被设置用于所述第二发射极与所述第二基极之间的空穴传输，所述第三隧穿结构至少包括第三非晶绝缘层和与其不同的第四绝缘层，所述第四绝缘层被设置为直接邻近所述第三非晶绝缘层，并被设置为与所述第三非晶绝缘层协作，使得所述空穴传输至少部分地包括利用隧穿的传输；第二集电极，该第二集电极与所述第二基极隔开；和第四隧穿结构，该第四隧穿结构被置于所述第二基极与所述第二集电极之间，并被设置用于在所述第二基极与所述第二集电极之间传输从所述第二发射极通过弹道传输被发射的至少一部分空穴，使得所述一部分空穴在所述第二集电极可被收集。在所述的线性放大器中，所述热电子晶体管和所述热空穴晶体管被设置在推挽式的放大器结构中。


可结合下面简略描述的附图，通过参照随后的详细描述而理解本发明。应该注意，为了图示清楚的目的，附图中的某些元件没有按比例示出。另外，描述性的命名，例如用于不同附图中的垂直、水平以及类似描述，只是用于图示的目的，而并不用于限制所述结构或者器件的使用取向。
图1为一个前面提到的‘185专利中公开的结式晶体管器件的局部截面概略性视图。
图2为对应于本发明一种热电子晶体管的能带图。
图3为对应于本发明一种热空穴晶体管的能带图。
图4A为对应于本发明热电子晶体管的另一实施例的能带图。
图4B为本发明热电子晶体管的局部正视图的概略性视图，及置于其上的等同电路图。
图5为对应于本发明热电子晶体管的一个实施例的能带图，其在此显示以表示为了获得有用的器件而将要克服的各种增益限制机制。
图6A示出两种能带图的比较，其在此显示以比较和对照包括双绝缘体的结构与单绝缘体结构对于从发射势垒发射的电子的电子能量分布的影响。
图6B为根据本发明的包括双绝缘体结构发射势垒和织构集电极向内的晶体管器件的局部截面概略性视图。
图7为一种复合曲线，其在此显示以说明对于具有在0.5～10eV范围内的不同导带深度的方形集电势垒，作为电子能量的函数的隧穿概率的差别。
图8为一种复合曲线，其在此显示以说明对于具有在0.5～2eV范围内的不同导带深度的抛物线形和方形(SQ)集电势垒，作为电子能量的函数的隧穿概率的差别。
图9为一种复合曲线，其在此显示以说明对于不同形状的集电势垒，作为电子能量的函数的隧穿概率的差别。这里假设导带偏移为0eV，势垒高度为0.4eV。
图10A-10X为用于制造本发明的热电子晶体管的一种实施例的堆叠过程中涉及的多个阶段的局部截面概略性视图。
图11A-11I为用于制造本发明热电子晶体管的一种实施例的平面过程中涉及的多个阶段的局部截面图的概略性视图。
图12A为基于本发明的热电子晶体管和热空穴晶体管的线性放大器的等同电路图。
图12B为基于本发明热电子晶体管的开关的等同电路图。
图12C和12D为能带图，示出图12B所示开关的两种状态的工作。
图12E为利用基于本发明的热电子晶体管的负向差分电阻(NRD)的振荡器的等同电路图。
图12F为基于本发明热电子晶体管的多频振荡器的等同电路图。
图12G为基于本发明热电子晶体管的具有正向偏置的共发射极的等同电路图。
图12H为基于本发明热电子晶体管的具有变容二极管(用于控制振荡电压)的振荡器的等同电路图。
图12I为基于本发明热电子晶体管的具有输入匹配和输出匹配的混频器(mixer)的等同电路图。
图13为一种能带图，示出集电势垒中的双绝缘体加上金属层的结构的使用。
具体实施例方式
下面的描述能够使本领域技术人员实现和使用本发明，并提供于专利申请的内容及要求中。对所述描述的实施例的各种修改将清楚地呈现给本领域技术人员，并且，这里的通用原理可以应用于其他实施例。因此，本发明并不限制于所示出的实施例，而是与这里描述的原理和特征的最大范围一致。
虽然大约从1960年就已经开始对M-I-M-I-M薄膜晶体管结构的分析，但到现在为止，仍然没有证明其为经济可用的器件。近来，对于材料的处理和理解，器件制造和器件成型技术方面的发展，对于实现充分控制的M-I-M-I-M薄膜晶体管并理解其工作情况的可能性起到了积极作用。此外，如下面将要详细论述的那样，本申请的受让人做出的创新进一步实现了对于现有技术的M-I-M-I-M薄膜晶体管的改进。
对隧穿热电子晶体管的改进在本发明中，论述对于薄膜热电子晶体管结构的关键创新，这些创新将我们提出的器件与大量的失败的现有技术的器件区分开来，并将本发明器件成为一种可行的薄膜晶体管。另外，也考虑几种可能的改进。
双绝缘体(即I-I)结构在薄膜金属-绝缘体结构中的使用，已在例如名称为“用于太阳能转换的金属-氧化物电子隧穿器件(Metal-OxideElectron Tunneling Device for Solar Energy Conversion)”的美国专利6534784(下文指‘784专利)中详细论述，该专利被受让给本申请的受让人，并且包括于此作为引用参考。在发射势垒中包括的I-I结构至少解决了两个问题。首先，由于I-I结构导致其隧穿结的非线性显著大于单绝缘体的隧穿结，其结果是，在较低的直流偏置电流(用于高效率和低噪声)时具有较高的差分传导率(用于高速)。另外，如果避免了绝缘体-绝缘体界面的电荷存储，也可使用两个绝缘层来减小发射极-基极容量。其次，发射到基极的热电子的分布在能量方面比单绝缘体隧穿结窄很多，从而得到较高的电流增益。
一种在结构上包括图1所示M-I-M-I-M晶体管中多层隧穿结构的至少一个所述I层的结式晶体管，公开于名称为“高速电子隧穿器件及其应用(High Speed Electron Tunneling Device and Applications)”(下文指‘185专利)的美国专利号65363185中，该专利被受让给本申请的受让人，并且包括于此作为引用参考。也就是说，在结式晶体管的情况下，发射极势垒116和/或者集电极势垒118包括多层隧穿结构。如本领域技术人员所知，结式晶体管使用外部偏置源(未示出)的偏置电压或者偏置电流，来设置晶体管的操作点并供电以驱动输出。这些外部偏置源被配置为施加电压，例如在共发射极结构中，作为基极-发射极的结电势和/或作为集电极-发射极的结电势。例如，偏置源可用于向发射极和基极施加电压来控制发射极势垒116中的电势，以及从发射极110到基极112的电子隧穿概率。电子一旦被发射，就隧穿通过发射极势垒116，基极112，集电极势垒118，最后以给定的集电率进入集电极114。集电率是不受阻碍地隧穿通过基极112的电子部分的函数。隧穿概率由施加到基极的电压以及其他材料性能决定。
图2中示出了这种结式晶体管的示例，其包括在发射极势垒中的双绝缘体结构。所述N-I-I-N-I-N(通常N为非绝缘层，而I为绝缘层)晶体管是现有技术的M-I-M-I-M隧穿热电子晶体管结构的一种改进，其能带图如图2所示。在所述N-I-I-N-I-N晶体管中，发射极隧穿结将热电子注入基极中。这些电子通过弹道传输穿过薄金属基极。弹道传输被理解为是速率高于其热平衡速率且不会散射的运动(例如电子的运动)。与其相反，共振隧穿是通过准静态能级的电子的运动。
如果注入的电子具有足够的能量克服集电极势垒，它们将继续其弹道路径直到抵达集电极金属。另一方面，控制基极-发射极电势的基极中的相对冷的电子不具有足够的能量克服集电极势垒。晶体管电流增益由发射极到集电极的热电子电流与基极电流的比率决定。如专利‘185和‘784所公开的，N层可以由诸如金属、半金属、金属硅化物或金属氮化物的各种材料形成，但并不局限于此。
继续参照图2，其示出了对应于N-I-I-N-I-N热电子晶体管结构的能带图200。能带图200包括X轴202(表示薄膜堆叠的厚度t)和Y轴204(表示能量E)。N-I-I-N-I-N热电子晶体管结构的能带图200的各部分对应发射极210，基极212，集电极214，发射极势垒结构216和集电极势垒结构218。发射极势垒结构216包括第一绝缘层216A和第二绝缘层216B。也就是，发射极210，基极212和集电极214，对应N-I-I-N-I-N热电子晶体管结构中的N层，而发射极势垒结构216中的第一绝缘层216A和第二绝缘层216B和集电极势垒结构218对应N-I-I-N-I-N热电子晶体管结构中的I层。施加到发射极210与基极212之间的偏置电压(未示出)引发从发射极210的具有电子能量分布221的弹道电子220的发射，电子能量分布221由集中在箭头所示的能级222周围的峰曲线表示。在能带图200表示的晶体管结构中使用双绝缘体结构(即，第一绝缘层216A和第二绝缘层216B)导致，例如，电子能量分布221的峰值宽度的变窄，从而提高了晶体管的效率。
另外，半金属材料，金属硅化物或金属氮化物可用于形成基极和集电极中的至少一种。金属硅化物，例如钴硅化合物(CoSi2)和钨硅化合物(WSi2)是半金属性的，它们的导电性和载流子浓度介于金属与半导体之间。半金属表现了高基极导电率与高电流增益之间的平衡。
可有助于提高薄膜晶体管特性的另一个特征是发射极势垒和集电极势垒中的至少一种的成型(shaping)。势垒可以通过在薄膜的至少一个侧面上形成电子特性梯度(grading)而成型，使得穿过晶体管器件的电子将遇到成型的能带。例如，成型势垒的获得可通过在势垒形成过程中改变诸如成分、电子亲合性、电荷平衡水平、电子质量和介电常数等因素而实现。例如，圆形的集电极势垒减小在电极与势垒之间界面的热电子的反射。成型的发射极势垒还导致从发射极到基极的电子发射宽度变窄。
对薄膜晶体管的又一个改进是在发射极和集电极中的至少一种中使用低势垒。与现有技术的薄膜晶体管中使用高势垒相比，使用低势垒可以得到高传导性(用于高速)和热电子的低散射率(用于高增益)。
本发明的N-I-I-N-I-N晶体管与现有技术相比表现出诸多优点。所述N-I-I-N-I-N晶体管是一种可以不用半导体和外延附生形成的薄膜器件。例如，这种N-I-I-N-I-N晶体管可以完全由金属和半导体形成(即，形成为M-I-I-M-I-M结构)，使得该晶体管可形成在各种衬底上。所述N-I-I-N-I-N晶体管的沉积温度和处理温度低(例如，通常低于250℃)，使得该N-I-I-N-I-N晶体管可兼容不能容忍高温处理的衬底，例如柔性聚合物衬底。并且，所述N-I-I-N-I-N是耐用器件，其关断频率(fT)可延至太赫兹(terahertz)范围。
现在参照图4A和4B，描述了本发明的N-I-I-N-I-N隧穿热电子晶体管。图4A示出了对应本发明改进型N-I-I-N-I-N隧穿热电子晶体管的能带图400。能带图400包括用于发射极410、基极412、集电极414、发射极势垒结构416和集电极势垒结构418的能带水平。发射极势垒结构包括了双绝缘体结构，包括第一绝缘层416A和第二绝缘层416B。基极412由金属硅化物形成。另外，集电极414包括金属硅化物层414A和金属层414B。图4B示出对应于能带图的N-I-I-N-I-N隧穿热电子晶体管450(及其等同电路图)的局部正视概略性视图。
所述N-I-I-N-I-N隧穿热电子晶体管由图4A的能带图400与图4B的概略性视图450表示，其举例示出本发明对于现有技术所提供的不同改进。多种因素有助于对该N-I-I-N-I-N晶体管进行的改进。
与半导体晶体管相比，图4B所示晶体管结构的响应快，这是由于1)膜的厚度和激活结区域导致载体传输时间短；2)在所述器件之上和之中所使用的金属性或半金属性传导层导致串联阻抗较低，特别是在薄的基层中和特别是在频率在几百吉赫兹(gigahertz)以上时；3)使用高差分传导N-I-I-N发射极结构导致发射极阻抗低和跨导倒数(transimpedance)增益高；4)使用低介电常数衬底材料导致寄生(parasitic)衬底电容较低。由于包括在N-I-I-N-I-N晶体管中的膜的厚度，通过发射极势垒的隧穿时间在一毫微微秒(femtosecond)量级。另外，穿过基极412(～10纳米厚)和集电极势垒结构418(～8纳米厚)的热电子的弹道传输在0.1微微秒(picosecond)量级或更短。在图4A和4B所示的N-I-I-N-I-N晶体管中，高传导性的金属始终延伸到所述结上，从而与半导体器件相比，极大地降低了寄生电阻，并导致高的最大振荡频率(fmax)。并且，可知的是，通过特定材料的高频传导性受限于材料的等离子频率。虽然半导体的等离子频率最多在一太赫兹(terahertz)量级，但金属的等离子频率处于紫外范围中，使得电极层的高频传导性在N-I-I-N-I-N晶体管中远大于在半导体器件中。此外，在发射极势垒中使用双绝缘体结构，对于在相对低的直流偏置电流时的高跨导(transconductance)增益，允许有高差分传导性，从而导致高的关断频率fT(例如，专利‘784中公开了双绝缘体结构的细节)。另外，虽然已知通常使用的半导体衬底具有高介电常数，但由于N-I-I-N-I-N晶体管兼容各种衬底，所以所述N-I-I-N-I-N晶体管也可以在低介电常数的衬底上制造，因此使寄生电容最小化。
与现有技术的M-I-M-I-M和其他热电子晶体管相比，图4A的晶体管在电流增益性能上包括了几种改进。首先，能带图400的集电极势垒部分的成型特性有助于减少基极-集电极势垒-集电极结构界面处的电子反射。另外，与普通金属层相比，半金属性的基极和发射极层(图4A中被标为金属硅化物)也减少了这些界面处的电子反射。其次，M-I-I-M隧穿发射极比简单的M-I-M发射极结构具有更高的差分传导性和更窄的发射电子的能量扩展。第三，在金属费米能级与绝缘体的导带边缘之间的低的势垒高度减少了电子反射和非弹性的电子散射。下文将对前述改进因素的细节进行论述。
申请人的某些重要认知已经导致改进的薄膜晶体管的开发。具体地为，申请人已经认识到并基于非绝缘层和绝缘层的组合详尽分析了薄膜晶体管内的增益限制过程的物理机制，以及克服这些增益限制机制的途径。已认识到的是，热电子晶体管内的电流增益受限于四种机制1)基极内的热电子散射；2)基极-发射极漏电流；3)注入热电子分布的能量扩展；以及4)电极-势垒界面处的量子力学的反射。
参照图5并结合图2对这四种机构中的每一种进行论述。图5包括来自图2的N-I-I-N-I-N热电子晶体管的能带图200的组件以及上文所述的四种增益限制机制。图5所示的增益限制机制包括在基极中的热电子散射效应505(由向下箭头和圆圈中的标号1指示)、基极-集电极漏电流510(由水平箭头和圆圈中的标号2指示)、注入热电子分布的能量扩展520(由电子能量分布曲线221的两侧的一对箭头和圆圈中的标号3指示)，和在电子势垒界面的量子力学反射530(由弯曲箭头和圆圈中的标号4指示)。
由于电子-电子的相互作用和电子-声子的相互作用，在基极电极中的热电子散射505是非弹性散射。这种非弹性散射减少了具有足够能量以克服集电极势垒的热电子的数量。已知的是，随着费米能级之上的电子能的增加，散射概率快速增加。
要克服这种热电子散射的问题，可使用低隧穿势垒(例如2eV或更低)，例如铌(Nb)-五氧化二铌(Nb2O5)、钽(Ta)-二氧化钛(TiO2)和钽(Ta)-氧化钽(Ta2O5)，并且可使用半金属基极电极，例如金属硅化物。现有技术M-I-M-I-M结构采用了高势垒氧化物，例如氧化铝(Al2O3)，这种高势垒氧化物即使不是完全压制，也会严重限制电流增益。注入的热电子弹道地越过基极电极而不发生散射的概率由基极传输因子αB给定αB=exp(-xBLBVe2)---(1)]]>其中，xB是基极电极的厚度，LB是形成基极电极的材料中的平均自由程(单位是nm/eV2)，而Ve是费米能级之上的热电子能。金属中LB的通常值在20nm/eV2的量级4。因此，例如，穿过10nm基极电极的0.3eV热电子将具有的基极传输率αB大约为0.14。虽然申请人不考虑被公开的关于在半金属中热电子散射长度的数据，但是需要服从的是，半金属散射长度将长于传统金属的散射长度，这是因为相比于金属，半金属中的自由电子浓度(～1022cm)较低。在半金属中没有探究过电子-声子散射和缺陷散射率，并且进一步的实验研究将量化上述的效应。
第二个问题，基极-集电极漏电流510(或暗电流)，其产生来自以下事实，即，如果集电极势垒能带高度太低，则在基极电极中的冷电子可以隧穿通过集电极势垒到达集电极，或者反之亦然。这种外来的隧穿电流构成了基极-集电极漏电流，并导致晶体管电流增益的下降。
基极-集电极漏电流的问题，可通过选择合适的集电极势垒能带高度、宽度和形状来克服。集电极能带高度的选择是减少热电子散射(要求低势垒高度)和降低基极-集电极隧穿电流(要求高势垒高度)之间的一种折衷。使用器件模型，申请人已经发现，具有0.3-0.8eV范围内能带高度的集电极势垒导致在这两种竞争因素之间的良好的折衷。而且，如同先前参考热电子散射问题而进行论述，因为通过使用具有低介电常数的材料可提高量子力学映象力，因此通过使用较低的集电极势垒能带高度，可以自然地减轻基极-集电极的漏电流问题。
类似地，集电极能带厚度的选择是器件速度和漏电流之间的一种折衷。较厚的势垒将产生较低的漏电流，不过，弹道电子穿越势垒的传输时间也将增大。也就是说，以107-108cm/s之间的弹道速度行进的热电子穿越20nm的势垒要比穿越5nm的势垒耗费更长的时间。进一步的问题是，弹道电子是否散射并将热能降低到势垒的导带边缘。因为在本发明的器件中所使用的势垒通常包括非晶(amorphous)材料，所以电子传导的迁移率(即，漂移和扩散)非常低。因此，如果电子被热能化，则给定电子到达集电极所用的时间将大大增加。因此，应选择势垒厚度以将热能化碰撞的概率最小化。
另外，集电极势垒能带的形状对热电子传输概率具有较强的影响。同样地，当有效势垒能带高度近似等于平均势垒能带高度时，势垒能带形状影响基极-集电极漏电流5，5b。因此，当为热电子传输选择合适的势垒能带形状时还应该考虑漏电流，这将在本公开的下文中合适的位置进行进一步详细的论述。
第三个问题，注入热电子分布的能量扩展520，其产生是由于以下事实，即，隧穿穿越发射极势垒的电子并非单能量的。也就是说，来自发射极势垒的电子是具有能量扩展的热电子。因为非常热(即，高能量)的电子具有大得多的可能性进行非弹性散射，而相对冷(例如，低能量)的电子具有较低的可能性越过晶体管势垒，其结果为晶体管增益降低。
热电子能量扩展可以通过在发射极势垒中包含双绝缘体结构来实现。在专利‘784和‘185中已经详细论述了各种双绝缘体结构的细节。图6A中描述了发射电子分布的变窄，其中对来自单绝缘层发射极的理论上的热电子分布与来自包括双绝缘体结构的发射极的理论上的热电子分布进行了比较。图6A示出了从单绝缘层M-I-M发射极与从双绝缘层M-I-I-M发射极的注入热电子能量分布的比较。图6A包括复合图600，包括第一图601A和第二图601B。图600的上部包括对应于距离的第一x轴602A和对应于能量的y轴604A，用于显示单绝缘层M-I-M发射极的能带图。y轴604A和对应于电流的第二x轴615A用于显示电流相对于能量分布的曲线620A。与其类似地，图600的下部包括对应于距离的第一x轴602B和对应于能量的y轴604B，用于显示双绝缘层M-I-I-M发射极的能带图610B，对应的电流相对于能量分布的曲线620B通过y轴604B和第二x轴615B示出。通过比较电流相对于能量分布的曲线620A和620B可以看出，在发射极中的双绝缘体结构中出现了电流/能量分布的窄得多的峰。来自其中具有双绝缘体结构的发射极的热电子的较窄分布，导致电流增益增大。
继续参看图6A，由包括双绝缘体结构的发射极而导致的窄电子分布还可用于N-I-I-N-I-N的某些非传统的应用，例如倍频器和短脉冲发生器。N-I-I-N二极管结构提供的额外益处是反向偏置下的低电流，其可用于转换应用。反向偏置下的低电流可以通过使用细晶结构(thin textured)的发射极金属而得到进一步强化，所述细晶结构的发射极金属可通过例如在高压力和低阴极电压下溅射来形成。这种结构的集电极显示于图6B中，其中示出了包含双绝缘层发射极势垒(分别具有第一绝缘层654和第二绝缘层656)的晶体管650，其中集电极658显示为包括在远离集电极势垒118一侧的台阶状结构。
第四个问题，在非绝缘-绝缘界面处的热电子的量子力学反射530，其为四种增益限制机制中需要克服的最严重的挑战6。Ludeke等人已通过实验观察到热电子在钯(Pd)-二氧化硅(SiO2)-硅(Si)结构中的波动传输7。通常，申请人已经意识到，要减轻量子力学反射问题，就需要降低越过薄膜晶体管器件的波函数对比度。申请人提出一种具有两分支的途径来解决这个重要的问题，这将马上在下文中详细论述。
第一途径是基于半金属基极和集电极的使用。为了将基极和集电极之间的波函数对比度以及集电极势垒最小化，在电极中的导带边缘(费米能级下EeV处)与绝缘层中的导带边缘(处于集电极势垒的顶端)之间的能量差要最小化。诸如铝或铜的典型金属具有位于费米能级下10eV量级的导带边缘。诸如铌或银的其它特定金属具有处于费米能级下5eV量级的导带边缘，因此这些金属可以更优选地用于本发明的晶体管中。此外，因为金属硅化物具有的载流子浓度为～1022cm-3，可从该信息推断预测出，金属硅化物所具有的导带深度仅1-2eV。
现在回到图7，其示出了导带深度在热电子传输上的影响T(E)。图7包括复合图700，其包含对多个不同的导带深度值计算出的热电子传输曲线。插图描述了用于计算的模型，也就是与第一电极720和第二电极740侧接的正方形势垒710。本计算中的势垒假定具有4nm的厚度以及0.77eV的能带高度。电极的费米能级假定为E＝0eV。在图例中给定的数字对应于电极中在费米能级下的导带深度(Ec，单位为eV)。可从图7看出，导带深度降低到1～2eV导致电子反射减小到可以接受的值，其中在图中所观察到的所述导带深度呈现为波动深度。
在电极中使用金属硅化物的另外的益处是其对于标准集成电路处理的兼容性。在使用半金属而不是传统金属的基极和集电极材料中的折衷为增大基极电极的阻抗。基极电极阻抗的增大降低了晶体管的最大波动频率fmax，其由如下公式给定fmax=fT8πRBCC---(2)]]>其中，fT是晶体管截止频率(由处于偏置的发射极差分电阻和发射极结电容确定)，RB是小信号基极电阻，而CC是集电极结电容。当使用半金属基极电极时，可通过使用半金属厚层作为基极电极和/或通过增加诸如钨的高传导率金属的薄层，来降低基极电阻。然而，这两种途径都在某种程度上降低了晶体管增益，这是因为它们趋向于增加在基极电极的热电子散射，还因为在传统金属与半金属层之间的界面会额外地反射热电子。
在这点上，晶体管的操作可限于在波动峰中的一个处进行操作，如图7所示。另外，铁磁绝缘体和/或金属可以结合发射极或集电极区域使用，以加强热电子集中并提高差分电阻RS，并且提供电磁反馈。差分电阻RS可通过诸如偏置点附近的波动电压Vcos(wt)的输入而被观察到。
多层金属的途径可以被进一步改进，从而在基极电极中的传统金属层与集电极势垒之间产生四分之一波长的抗反射层。更进一步地，如果半金属层厚度和导带深度被选择处于特定能量，则在三个层中的干涉效应倾向于使得热电子反射无效。因此，晶体管增益可以相应地增加。
减少量子力学反射的第二途径基于使用梯度的集电极势垒能带。例如，通过在势垒中的组分变化，而不是氧化层中导带边缘的物理形状变化，可以获得“成型”势垒。例如，通过将集电极氧化物从低势垒材料到高势垒材料(例如，Nb2O5-Nb2xTa2-2xO5-Ta2O5)并再次回到低势垒材料而进行逐渐的梯度化，可得到梯度化势垒能带。这种途径已经成功地应用于III-V半导体晶体管结构4，但是申请者无意将该项技术应用于非半导体晶体管技术。
现在回到图8并结合图7，对于集电极势垒的梯度效果以不同方式进行比较。如图7中的插图所示，复合图7示出了对于正方形势垒根据不同导带深度值所计算出的各热电子传输曲线。图8示出的复合图800包含对于抛物线势垒采用不同的导带深度值所计算出的多条热电子传输曲线。插图示出了用于计算的模型，即，由第一电极820和第二电极电极840侧接的抛物线势垒810。在图8中，正方形势垒能带的传输与抛物线势垒能带的传输进行了比较，如图例所示。图8显示，相比于正方形集电极势垒的情况，集电极势垒进行的抛物线梯度显著降低了热电子反射。
现在参照图9，其对集电极势垒的不同梯度所产生的效果进行了比较。在图9中，如图例所示，比较了通过包含下列各结构势垒能带所进行的电子传输，所述各结构包括正方形、抛物线、半抛物线、圆形、半圆形、线性梯度和半线性梯度。例如，正方形势垒结构的示例显示于图7的插图中，抛物线势垒能带显示于图9的插图中，圆形结构显示于图4A中。图9包括图形900，其示出了对于不同的集电极势垒形状，隧穿概率与电子能量的函数关系。假定导带带阶(offset)为0eV，势垒高度为0.4eV。为了“半”指定，假定集电极势垒只有前缘(即，基极一侧)被成型。如图9所示，对集电极势垒能带的一侧进行梯度化降低了振荡，同时对集电极势垒能带的两侧进行梯度化使得量子力学反射被最大限度地降低。理想地，势垒能带的导带边缘从金属导带边缘到最大势垒能带高度然后回到最小高度的梯度化，使热电子反射最大限度地被降低。在实际器件的制造中，最可行的途径是将势垒材料的能带从尽可能低的能量进行梯度化。
如在关于降低基极-集电极漏电流的部分中所论述的，通过使用较低的势垒能带，自然地减轻了热电子的量子力学反射。这种效应是由于量子力学映象力，该映象力例如可以通过使用低介电常数绝缘材料来增强。使用具有类似电子亲和性但具有不同介电常数的绝缘材料，通过薄膜晶体管结构，也有助于调节导带倾斜或电场。
热电子的量子力学反射可以通过结合具有接近一致的电子隧穿质量(electron-tunnel mass)的绝缘材料而进一步得到降低。通过使用这种材料，当基极-集电极暗电流被降低时，降低了隧穿概率的振荡深度，与此同时，增大了振荡频率，因此导致在一定能量范围的更高的平均隧穿概率。
更宽泛地，申请人已经意识到，对于制造有效而高速的薄膜晶体管器件方面的考虑，在于考虑当弹道电子穿越所述器件时在薄膜层的匹配波函数。换句话说，通过对形成各种薄膜层的合适的材料和制造工艺的选择从而控制通过每一薄膜层的波函数，可根据需要调节在各层之间的每个界面上的电子反射。例如，特定的材料可以被选择用在薄膜晶体管结构中，这是由于以下事实，即，对于对应的层，所述材料具有所希望的介电常数特性或化学组分。给定薄膜层的波函数可进一步受到影响，例如，通过对层的组分进行梯度化(例如，形成抛物线能带形状)，通过应用或产生磁场(例如，在铁磁材料的情况中)，或者通过对该层添加表面结构(texture)。类似地，通过例如在发射极势垒中实现双绝缘体结构，在晶体管中可以实现发射电子的更窄的分布(即，更多的单频能量电子)。可以认为的是，对于诸如电子能量分布宽度和界面处的电子反射率的某些薄膜晶体管的特性进行调节(tailoring)的可能性的认知，可以通过与考虑所匹配的波函数来实现，这种认知在薄膜晶体管的现有技术中是一个巨大的进步。而且，处于基极电极-集电极势垒以及集电极势垒-集电极电极界面的势阱状态的费米能级钉扎(pinning)和分布，可用于协助将导带的不连续性最小化。
隧穿热空穴晶体管作为上文所述的本发明的隧穿热电子晶体管的补充，基于热空穴传输的薄膜隧穿晶体管将在下文中进行描述。
图3中示出了M-I-M-I-M热空穴晶体管的能带图。对比图2所示的热电子晶体管，能带被倒转；也就是说，隧穿空穴的势垒高度是金属费米能级和绝缘体价带边缘之间的能量差。
继续参照图3，其描述了对应于N-I-N-I-N热空穴晶体管结构的能带图300。能带图300的各部分对应于形成N-I-N-I-N热空穴晶体管的各层，包括发射极310、基极312、集电极314、发射极势垒结构316和集电极势垒结构318。热空穴320从发射极被发射，越过集电极势垒，然后在集电极中被收集。
为了实现如图3所示的这种器件，金属的工作函数和绝缘体的电子亲和之间的差异应该大于绝缘体的能带隙加上电子亲和之和与金属的工作函数之间的差异。可选地，外围控制方法可用于抑制电子隧穿9。
根据本发明的技术可以实现对基本的M-I-M-I-M热空穴晶体管(如图3所示)进行的多种改进。例如，在发射极势垒中包括双绝缘体结构可以产生与上文所述的参照热电子晶体管的结构相同的优点。另外，双绝缘体结构可包含在集电极势垒中，这样就可以帮助降低基极-集电极漏电流并且加强热空穴传输。此外，使用梯度化的集电极势垒能带将降低在非绝缘体-绝缘体界面的热空穴反射。而且，如同在热电子器件中，通过适当选择基极和集电极的电极材料，可以将热空穴反射最小化。
在热电子器件与热空穴器件之间的一个主要的区别在于，在热电子器件中，电子从金属的导带隧穿进入绝缘体的导带。在热空穴的情况中，空穴从金属的导带隧穿进入集电极势垒的价带。
晶体管制造过程(process)下文中公开了本发明的制造薄膜晶体管的两种方法1.堆叠过程(stack process)2.平面过程(planar process)第一种方法，是指堆叠过程，包括将整体的MIxMxIxM晶体管堆叠沉积于单个真空沉积系统中。如早先所论述的，本文中所指的“M”层可以是任何合适的非绝缘材料，包括，例如金属或一些金属和非金属的组合物。实现层的沉积可以通过各种常规方法，例如但不限于，热蒸发、溅射、化学气相沉积和原子层外延。一种团簇(cluster)工具可以被使用于在隔离室中执行各种沉积，而不会使所述结构暴露于大气。堆叠过程被认为可对层厚度、组分和清洁度提供最大限度的控制。堆叠过程可以进一步划分为两个范围材料和加工。对材料的要求是使用可能不同的沉积方法来沉积所述堆叠，从而造出所希望的电子界面。对加工的要求是开发多个过程，其允许对于可能埋于所述堆叠的中间层中的所需层进行成形(pattern)以及此后的接触。也可以将晶体管制品或者堆叠分为多个堆叠，只要能够保证所分的部分可进行中间加工。
堆叠的各层，其最基本的形式包括发射极金属、发射极-基极氧化物、基极金属、基极-集电极氧化物、集电极金属。因为集电极金属的上表面在沉积后暴露于大气，应该使用诸如NbN的抗氧化材料来覆盖集电极金属，除非在此后的加工期间使用诸如氩离子磨蚀(milling)的磨蚀方法去除形成在集电极金属顶部的任何自然氧化物或污染物。相对于热电子平均自由程(～100nm，其值取决于电子能量和基极金属)，基极金属必须造得很薄。基极金属还必须是堆叠的“出口(dug out)”，因此它可接触到外部电路。可包括刻蚀阻剂(etch stop)，以便于磨蚀基极层。另外，基极层一旦暴露则绝对不能氧化。这可以通过包括诸如NbN的覆盖层来实现。薄(～1-5nm)的发射极氧化物可包括多种相邻的氧化物(或金属)，以促使单能电子束的发射极。厚(～4-20nm)的集电极氧化物可包括多种相邻的氧化物或硅化物，以降低发射的热电子的反射，同时将基极-集电极的偏置电流最小化。虽然发射极、基极和集电极都被描述为金属，但其也可以是半金属、硅化物、半导体、超导体或超晶格。同样地，发射极-基极和集电极-基极的氧化物没有必要局限于传统的氧化物。
下文所述的制造工艺使用单堆叠沉积、反应离子蚀刻(RIE)、和浮离(lift-off)技术来形成成形(pattern)的金属层。也可通过化学蚀刻、反应离子蚀刻、磨蚀(milling)和其它技术来形成成形的金属层。可以使用不同衬底，在这些衬底上制造MIxMxIxM晶体管；下文描述的过程中使用的是硅衬底。典型器件制造过程的总结示于图10A-10X并描述如下1.彻底清洁硅晶片，例如使用标准的SPM、SCI、BOE、SC2顺序。
2.热氧化厚度小于1μm的衬底，从而在MIxMxIxM晶体管与硅衬底之间提供电隔离。
3.形成发射极接触片(contact pad)(用于电接入所述器件)a.光刻(lithography)以限定接触片形状i.在底漆(primer)(HMDS)上以6000rpm旋转30秒，ii.在抗蚀剂(resist)上以6000rpm旋转30秒(时间和旋转速度取决于所使用的具体抗蚀剂)，iii.在烤盘上将抗蚀剂层以110℃预烘焙60秒(时间和温度取决于所使用的具体抗蚀剂)，iv.将抗蚀剂层曝光(expose)18秒(曝光时间取决于所使用的具体的抗蚀剂和抗蚀剂的厚度)v.使用显影剂溶液(去离子(DI)水对显影剂的比例为4∶1)将抗蚀剂层显影预定的时间(显影剂溶液取决于所使用的具体的抗蚀剂和显影剂)，vi.用DI水漂洗(rinse)去除显影剂，vii.采用O2等离子体清洁处理(cleaning)以清洗抗蚀剂开口；b.对粘结层(5nm的铬)进行热蒸发，以形成抗擦伤金属，通过该粘结层，能够对器件进行电探测(probe)；c.对接触层(35nm的金)进行热蒸发，用于防止接触处的氧化，并促进到堆叠的发射极层的欧姆接触；d.浮离，以去除无关的材料i.在旋转器上采用丙酮进行低速浮离，ii.采用丙酮进行超声波浴(如果有必要加快浮离的情况)，iii.在旋转器上采用丙酮进行浮离，iv.在旋转器上采用异丙醇清洗，v.旋转甩干；根据所希望的晶体管规格和光刻能力，上述步骤可被划分为多个步骤。例如，可以通过标准光刻来成形(pattern)大迹线(trace)，而从晶体管到这些迹线的连接可以通过电子束光刻来形成。
4.沉积MIxMxIxM晶体管堆叠。晶体管堆叠可以在整个晶片之上沉积，或者，可在由浮离步骤所限定的特定区域中沉积。以下的堆叠提供一种沉积在单个真空沉积工具中的堆叠的示例。
a.Nb发射极金属(80nm)这种选择是由于其发射极-基极氧化物的势垒性质、在CF4/O2中进行RIE磨蚀的能力，形成边缘氧化物的能力，到发射极接触处的良好粘合。金属可通过直接溅射来沉积。
b.Nb2O5/Ta2O5发射极-基极氧化物(2nm/2nm)这第二种结构提供了窄的发射电子宽度，在CF4/O2中进行RIE磨蚀的能力，并且易于进行反应溅射。
c.Nb/NbN/Cr/Nb基极金属(3nm/1nm/3nm/3nm)这种基极金属包括外边缘上的Nb，选择Nb是由于其在发射极-基极和基极-集电极氧化物的势垒性质，在CF4/O2中进行RIE磨蚀的能力，和形成边缘氧化物的能力。在所述基极金属中插置的Cr层用作RIE蚀刻阻剂，其允许基极金属上的精确阻止和容易的边缘氧化。在Cr被去除后，NbN提供对基极电极的氧化抗蚀剂接触。所述金属可通过直接溅射被沉积。所述氮化物可以通过反应溅射或直接溅射的氮等离子体来形成。
d.Nb2O5基极-集电极氧化物(10nm)使用低和宽的集电极氧化物，以允许来自发射极的热电子通过，同时降低基极-发射极电流，该电流由可施加或产生在集电极氧化物上的偏置而引起。对于氧化物组分进行梯度化，以获得连贯的金属氧化物界面，这个过程优选地用于降低热电子碰撞势垒的反射。可通过反应溅射来沉积氧化物。
e.Nb/NbN集电极金属(20nm/1nm)所述集电极金属的选择是由于其集电极氧化物的势垒性质、在CF4/O2中进行RIE磨蚀的能力，和与稳定氮化物NbN的兼容性。可通过直接溅射沉积所述金属。所述氮化物可以通过反应溅射或直接溅射的等离子体来形成。
5.沉积集电极限定金属-集电极限定金属被用于提供RIE磨蚀掩膜，因而限定了晶体管的集电极-基极的规格。可以使用采取Cr/Au(5nm/35nm)的浮离过程。Au对于RIE刻蚀是弹性的，并且对于晶体管和外部探测器/片(probes/pads)提供良好的电接触。50∶1的H2O∶HF溶液可以用于去除在先前的处理步骤中可能已经产生在NbN顶上的任何可能的氧化物。
6.RIE磨蚀集电极-基极使用CF4/O2RIE系统，晶体管堆叠被向下刻蚀，直至基极金属中的Cr蚀刻阻剂层。
7.去除蚀刻阻剂使用干式蚀刻或湿式化学蚀刻，来蚀刻基极中的Cr金属蚀刻阻剂，不受集电极-基极结构的保护，该阻剂层被去除从而暴露出基极的NbN层。
8.沉积发射极限定金属使用浮离技术将铝沉积在所述堆叠上(包括集电极的一部分)，从而限定了发射极-基极的规格。Al用作蚀刻掩膜。
9.RIE蚀刻所述堆叠的发射极-基极部分。
10.边缘氧化发射极的边缘和基极金属现在可以被氧化，以进行保护和钝化。这可以通过氧化物沉积或使用氧等离子体来实现。
11.移除Al蚀刻罩-使用AZ400K易于移除Al蚀刻罩。
12.使用浮离过程来沉积基极接触金属。Cr/Au(5nm/180nm)被沉积在暴露的基极NbN的顶部。50∶1的H2O∶HF溶液可用于去除在先前的处理步骤中可能已经产生在NbN顶部的任何可能的氧化物。这个过程还可包括集电极金属接触以延伸到外部电路或探测器片。
在制备完成的结构中，发射极位于堆叠的底层，集电极位于堆叠的顶层。这也不是必须的，发射极和集电极的位置可以互换。根据所使用的沉积技术，采用特定的顺序是有利的。
第二种制备方法，被称为平面处理，包括在衬底上成形(pattern)基极接头和集电极或发射极接头，然后再制备晶体管结构的剩余部分。这种制备方法的优点是不需要在薄基极金属上进行刻蚀的精细加工。这种方法的缺点是将MIMIM堆叠的沉积分成了两层(stage)，使得晶体管结构的一个界面被暴露在周围的气氛中，可能会导致该界面的污染并有可能在所述暴露表面形成天然氧化物。对于制备加工典型器件的总结如图11A-11I所示，具体描述如下1、清洗硅(或多晶硅)衬底表面；2、在硅表面上成形基极和集电极(或发射极)金属；3、对晶片进行退火以将电极金属扩散到硅中形成金属硅化物；4、刻蚀晶片以去除剩余金属，在硅表面上留下导电硅化物轨迹；5、在集电极表面上沉积和成形集电极氧化物；6、在晶体管结构的侧面成形基极和集电极接头(通常为金)；7、在表面沉积基极金属/发射极氧化物/发射极金属的堆叠；8、在晶体管的结和其下面的基极上成形刻蚀掩膜；9、刻蚀掉剩余堆叠，留下集电极上面和沿基极横截面上的基极-氧化物-发射极的堆叠；10、去除刻蚀掩膜；11、在集电极接头中央成形厚的发射极接头层(通常为金)；12、使用发射极接头层作为掩膜，向下刻蚀剩余的发射极金属一直到发射极氧化物。
金属-绝缘体薄膜晶体管的应用我们描述了金属-绝缘体薄膜晶体管的几种应用。除了常规的诸如线性放大器、共振器或开关的应用以外，我们还论述了热电子/热空穴晶体管的几个方面，使其可用于相当新的应用中。
1、线性放大器/共振器这些晶体管的显而易见的应用就是作为线性放大器。图12显示了线性放大器1200的等同电路图，其中包括了形成推挽式结构的本发明的热电子晶体管1210和本发明的热空穴晶体管1212。这样，这些晶体管可用作功率放大器、低噪音放大器、或高频电路中的共振器。也可实现同时采用热电子器件和热空穴器件的推挽式放大器。因为这些器件是薄膜且非常耐久，这些器件可应用于柔性电子器件、在低损耗或柔性衬底上的微波电路，以及可与诸如硅CMOS或III-V族光电子器件相集成的混合(hybrid)电路中。
2、单刀双掷(SPDT)开关热电子(空穴)晶体管的一个有趣特征是，其具有非零导通电压，这是因为发射电子必须具有足够能量以克服集电极势垒。由于大部分发射电子具有的能量近似等于基极-发射极电位差，因此导通阈值近似等于该势垒高度。这样，当基极-发射极电位差大于导通阈值时，大部分发射电流到达集电极接头；而当基极-发射极电位差小于导通阈值时，发射电流不能够克服集电极势垒而从基极接头发出。以这种方式，热电子晶体管的功能相当于单刀双掷(SPDT)开关。这种器件的一个实施例的等同电路图在图12B中示出，而不同开关状态的能带图在图12C和12D中示出。
3、负差分电阻放大器/振荡器如上所述，随着基极-发射极电位差的增加，发射极电流由基极转向集电极。其结果是，当电流开始转换时，在基极与发射极之间形成负差分电阻。如所熟知的是，负差分电阻可用于放大和振荡。这类器件的等同电路图在图12E中示出。
4、多频振荡器多频振荡器的概念源自上述的单刀双掷开关的概念。通过集电极到基极的适当反馈，晶体管可以在基极与集电极之间形成为以发射极作为共电极振荡输出电流。这类器件的等同电路图在图12F中示出。为了简单，图12F中没有示出偏置的电路时钟传送(CKT)。
5、非线性放大器/脉冲生成器如前所示，热电子晶体管具有当发射电子具有足够的能量克服集电极势垒时的导通阈值。通常，人们期望线性放大器具有平坦的增益响应，而晶体管应被偏置为明显超过阈值电压。然而，有时非线性增益对某些应用是有用的。短脉冲生成器就属于这类应用。
如果将晶体管偏置到导通阈值(如上述)，其中电流增益从零转变到其最大值，晶体管响应呈典型的非线性。在基极与发射极之间的振荡输入电压会在集电极输出中产生一系列短的电流尖峰，这是因为当输入电压高于阈值时增益最大，而当输入电压低于阈值时增益为零。如果这一系列电流尖峰被转换成低的电压振荡信号，并以适当的电压水平反馈进入非线性放大器，则然后输出的尖峰将变得更窄。通过适当的电压水平意味着输入信号振荡不能超过晶体管的增益饱和点，否则信号尖峰将不会变得更窄。输出尖峰的宽度界限等于1/(2πfmax)，其对于所考虑的MIMIM晶体管结构可能短至100fs，这取决于基极电阻。所述界限的极限值为1/(2πfT)。
6、倍频器在线性放大器中，应尽量减小在集电极势垒的量子力学振荡效应，以获得平坦的增益；然而，在诸如倍频器的某些应用中，可能希望将这些尖峰变化作为优势用于增益。在这种情况下，我们不试图减小由于热电子的量子力学效应而导致的增益振荡。如果对于一个或多个这样的振荡扫描基极-发射极输入电位差，产生的输出信号将会是输入频率的倍数。这样，如果应用一种振荡输入电压，其电压振荡幅度等于增益振荡的一个周期，则输出信号将为输入频率的两倍。如果输入电压扫描两个增益振荡，则输出将为输入频率的四倍。
基于这些原理的共发射极1400的等同电路图在图12G中示出。当被设置在NDR范围内时，共发射极1400用作NDK放大器。线性或非线性放大取决于晶体管的工作点。通过晶体管设计的适当选择，共发射极1400也可以用作倍频器。共集电极或基极结构也是可能的。分立组件可以包括RF传输线组件。匹配系统可以设置在负载前和/或源极后。另外，滤波和/或级联放大器也是可能的。通过使用这类输入，所述器件也可以用作红外(IR)(或者太赫兹或微波)探测器。
图12H示出了用于具有变容二极管(使得所述振荡被电压控制)1450的振荡器的等同电路图。存在各种可能的结构，例如串联结构，柯毕兹(colpitts)振荡器结构，哈特利(Hartley)振荡器结构，克莱普(clap)振荡器结构，共发射极结构，共基极结构，共集电极结构等。
7、非线性整流器/增益混频器类似于上述的应用，可以使用晶体管的相对尖锐的导通响应，为整流和混频应用提供高的非线性。晶体管应被偏置到导通阈值，输入信号应在基极与发射极之间。输出信号是集电极电流。导通非线性的尖锐度，以及整流或混频的效果，在很大程度上受限于来自发射极的热电子的分布范围。这里，MIIM发射极结构优于MIM发射极。基极-集电极偏置电压也具有非线性效应，更高的电位差(相对于基极，集电极为正)提供更尖锐的导通。
晶体管通过基极-集电极偏置电压来增加信号的功率增益。
与传统的两端二极管相比，这种整流器/混频器所增加的优点在于，其输入和输出电阻可以不同，并可以调整为匹配特定的源极和负载电阻。例如，可将输入连接到200欧的天线上作为源极，驱动50欧的传输线作为负载。
我们也可使用由于集电极中的量子力学反射而导致的增益振荡，以提供非线性。将晶体管偏置到负向增益峰将会产生负差分电阻。
在图12I中给出了基于上述原理的混频器1500的等同电路图。混频器1500包括输入匹配和输出匹配。混频器1500与二极管相比的一个显著优势是增益。
8、有增益的红外探测器这个应用类似于上述的整流器/混频器，其不同之处在于，对红外输入信号而言，有光子协助的隧穿预计将在典型的整流中占有主导地位。在这种情况下，光子将他们的能量传输给隧穿电子。这样，基极-发射极电压可以降低到比导通阈值低一个光子的能量。在较低偏置时，基极-发射极二极管具有较低的直流偏置电流以及较低的发射噪音。而且，信号功率增益取决于基极-集电极偏置电压与基极-发射极偏置电压的比率。
结论虽然已对每个前述的物理实施例进行了说明，其具有各自特定应用方向的不同组件，但应理解的是，本发明还可采用各种特定结构，这些结构具有位于各种不同位置的不同组件和各组件之间的相互联系。此外，这里描述的方法可有无限多种修改方式，例如，可通过在柔性衬底上形成前述的晶体管器件，从而利用了本发明的晶体管器件与较低温度衬底的兼容性。其它修改包括，但不限于，在晶体管中使用M-I-M-I-M-I-M发射极结构，在晶体管中使用M-I-I-I-M发射极/集电极结构，N-M-N基极，在集电极势垒中使用多绝缘层，在应用中增加各种匹配/过滤/偏置结构，基于前述开关实现不同逻辑电路(例如，NAND，NOR，转换器等)，和连接天线用于各种应用的输入/输出。而且，在集电极势垒中的薄金属可用于在集电极势垒中应用电压，从而进一步通过外部电压的应用来调节势垒导带形状。图13示出这种结构的一个实施例，其包括用于晶体管结构的能带图，该晶体管包括三层集电极势垒1602，其依次包括第一绝缘层1604，金属层1606和第二绝缘层1608。通过在金属层1606上应用外部电压(未显示)，集电极势垒1602的能带的整体形状可以被调节为期望的形状。这种使用薄金属的技术如果应用于导电方向的法向，可以进一步增加对势垒导带形状的控制。因此，本实施例应被认为是示例性的，而非限制性的，本发明并不仅限于在此给出的细节，而是可在所附权利要求的范围内进行修改。
粗略地概括，本发明公开了下述的这种热电子晶体管，其包括发射极，基极，集电极，和置于发射极与基极之间并被用作二者之间的电子传输通道的第一隧穿结构。第一隧穿结构至少包括第一非晶绝缘层和与其不同的第二绝缘层，使得电子传输包括利用隧穿的传输。该晶体管进一步包括置于基极与集电极之间的第二隧穿结构。第二隧穿结构用作前述的基极与集电极之间的通过弹道传输被发射的至少一部分电子的传输通道，使得所述一部分电子在所述集电极被收集。本发明还公开了在薄膜晶体管中减少界面处电子反射的相关方法。
进一步粗略概括，本发明公开了一种适用于接收至少一种输入信号的热电子晶体管，所述晶体管包括发射极；基极，其与所述发射极分开设置，使得至少一部分所述输入信号被应用于发射极和基极，并导致电子从发射极向基极发射；第一隧穿结构，其置于发射极与基极之间，并被构造作为所述发射极与基极间的电子传输通道，第一隧穿结构至少包括第一非晶绝缘层，使得电子传输通道至少部分地包括利用隧穿的传输；集电极，其与所述基极分开设置；和第二隧穿结构，其置于基极与集电极之间并被构造用作基极与集电极之间的所述通过弹道传输被发射的至少一部分电子的传输通道，使得所述一部分电子在所述集电极可被收集。
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9A.Otto，“Controlling a tunnel current from the exteriorA new mesoscopic quantum effect，”Europhysics Letters，62，398(2003).
权利要求
1.一种热电子晶体管，适用于接收至少一种输入信号，该晶体管包括发射极；基极，该基极与所述发射极隔开，使得至少一部分所述输入信号被应用到所述发射极和所述基极，而使电子从所述发射极朝向所述基极发射；第一隧穿结构，该第一隧穿结构被置于所述发射极与所述基极之间，并被设置用于所述发射极与所述基极之间的电子传输，所述第一隧穿结构至少包括第一非晶绝缘层和与其不同的第二绝缘层，所述第二绝缘层被设置为直接邻近所述第一非晶绝缘层，并被设置为与所述第一非晶绝缘层协作，使得所述电子传输至少部分地包括利用隧穿的传输；集电极，该集电极与所述基极隔开；和第二隧穿结构，该第二隧穿结构被置于所述基极与所述集电极之间，并被设置用于在所述基极与所述集电极之间传输从所述发射极通过弹道传输被发射的至少一部分电子，使得所述一部分电子在所述集电极可被收集。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述基极和所述集电极中至少所选的一个，至少部分地由半金属形成。
3.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述基极和所述集电极中至少所选的一个，至少部分地由金属硅化物形成。
4.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述基极和所述集电极中至少所选的一个，至少部分地由金属氮化物形成。
5.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述第二隧穿结构被设置以表现出热电子反射的第一值，其中所述第二隧穿结构包括成型势垒能带特性，而使得所述热电子反射的第一值低于热电子反射的第二值，所述热电子反射的第二值是所述第二隧穿结构在不具有成型势垒能带特性的情况下所表现出的值。
6.根据权利要求5所述的晶体管，其中所述成型势垒能带特性包括所述第二隧穿结构的抛物线梯度。
7.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述发射极被设置以表现出给定的费米能级，其中所述第一隧穿结构被设置以表现出给定导带，使得所述给定导带与所述给定费米能级之间的差别小于2电子伏特。
8.一种晶体管，适用于接收至少一种输入信号，该晶体管包括发射极；基极，该基极与所述发射极隔开，使得至少一部分所述输入信号被应用到所述发射极和所述基极，而使电子从所述发射极朝向所述基极发射；第一隧穿结构，该第一隧穿结构被置于所述发射极与所述基极之间，并被设置用于所述发射极与所述基极之间的电子传输，所述第一隧穿结构至少包括第一非晶层，使得所述电子传输至少部分地包括利用隧穿的传输；集电极，该集电极与所述基极隔开；和第二隧穿结构，该第二隧穿结构被置于所述基极与所述集电极之间，并被设置用于在所述基极与所述集电极之间传输从所述发射极通过弹道传输被发射的至少一部分电子，使得所述一部分电子在所述集电极可被收集；其中所述第二隧穿结构被设置以表现出热电子反射的第一值，其中，所述第二隧穿结构包括成型势垒能带特性，使得所述热电子反射的第一值低于热电子反射的第二值，所述热电子反射的第二值是所述第二隧穿结构在不具有成型势垒能带特性的情况下所表现出的值。
9.根据权利要求8所述的晶体管，其中所述成型势垒能带特性包括所述第二隧穿结构的抛物线梯度。
10.在热电子晶体管中包括多个层，所述层间限定多个界面，弹道电子在所述层间进行传输，所述多个层至少包括彼此相邻且并置的第一层和第二层，在所述第一层与所述第二层之间限定第一界面，使得至少一部分所述弹道电子在所述第一界面可被反射，一种用于在至少所述第一界面减少电子反射的方法，包括构造所述第一层以表现出第一选择波函数；和构造所述第二层以表现出第二选择波函数，使得所述弹道电子的第一部分在所述第一界面被反射；其中所述弹道电子的所述第一部分少于所述弹道电子的第二部分，所述的弹道电子的第二部分是在没有构造所述第二层以表现出所述第二选择波函数时在所述第一界面被反射的部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二层表现出给定的能带结构，而其中所述构造第二层包括以特定方式使所述能带结构形成梯度。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二层包括至少一个平坦表面，其中所述构造第二层包括在所述一个平坦表面上增加表面结构。
13.一种线性放大器，适用于接收至少一种输入信号，所述线性放大器包括热电子晶体管，该热电子晶体管包括第一发射极；第一基极，该第一基极与所述第一发射极隔开，使得所述输入信号的至少第一部分被应用到所述第一发射极和所述第一基极，而使电子从所述第一发射极朝向所述第一基极发射；第一隧穿结构，该第一隧穿结构被置于所述第一发射极与所述第一基极之间，并被设置用于所述第一发射极与所述第一基极之间的电子传输，所述第一隧穿结构至少包括第一非晶绝缘层和与其不同的第二绝缘层，所述第二绝缘层被设置为直接邻近所述第一非晶绝缘层，并被设置为与所述第一非晶绝缘层协作，使得所述电子传输至少部分地包括利用隧穿的传输；第一集电极，该第一集电极与所述第一基极隔开；和第二隧穿结构，该第二隧穿结构被置于所述第一基极与所述第一集电极之间，并被设置用于在所述第一基极与所述第一集电极之间传输从所述第一发射极通过弹道传输被发射的至少一部分电子，使得所述一部分电子在所述第一集电极可被收集；和热空穴晶体管，该热空穴晶体管包括第二发射极；第二基极，该第二基极与所述第二发射极隔开，使得所述输入信号的至少第二部分被应用到所述第二发射极和所述第二基极，而使空穴从所述第二发射极朝向所述第二基极发射；第三隧穿结构，该第三隧穿结构被置于所述第二发射极与所述第二基极之间，并被设置用于所述第二发射极与所述第二基极之间的空穴传输，所述第三隧穿结构至少包括第三非晶绝缘层和与其不同的第四绝缘层，所述第四绝缘层被设置为直接邻近所述第三非晶绝缘层，并被设置为与所述第三非晶绝缘层协作，使得所述空穴传输至少部分地包括利用隧穿的传输；第二集电极，该第二集电极与所述第二基极隔开；和第四隧穿结构，该第四隧穿结构被置于所述第二基极与所述第二集电极之间，并被设置用于在所述第二基极与所述第二集电极之间传输从所述第二发射极通过弹道传输被发射的至少一部分空穴，使得所述一部分空穴在所述第二集电极可被收集；和其中，所述热电子晶体管和所述热空穴晶体管被设置在推挽式的放大器结构中。
全文摘要
热电子晶体管包括发射极、基极和集电极，和置于发射极与基极之间并用于在二者之间进行电子传输的第一隧穿结构。第一隧穿结构至少包括第一非晶绝缘层和与其不同的第二绝缘层，使得所述电子的传输包括利用隧穿的传输。所述晶体管进一步包括置于基极与集电极之间的第二隧穿结构。第二隧穿结构用于利用弹道传输将基极与集电极之间的前述的电子中的一部分的传输，使得所述部分的电子在集电极处被收集。还公开了用于在薄膜晶体管中的界面处减少电子反射的相应的方法。
文档编号H01L39/00GK101015066SQ200580013289
公开日2007年8月8日 申请日期2005年4月25日 优先权日2004年4月26日
发明者迈克尔·J·艾斯特思, 布莱克·J·伊莱森 申请人:科罗拉多大学理事会