专利名称：采用突变金属－绝缘体转变层的装置及其制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及采用突变金属-绝缘体转变层的装置及该装置的制造方法，特别是，具有改善的电极的突变金属-绝缘体转变装置及制造该装置的方法。
背景技术：
采用相变材料(PCM)的存储装置已经变成积极研究和发展的课题。因PCM在高温下产生晶相和非晶相的结构相变，所以PCM可以应用于存储装置。然而，PCM不用于其它领域，例如，开关装置。这是因为结构相变引起的原子的位置变化不能取得快速开关的速度。
莫特-哈伯德(Mott-Hubbard)场效晶体管(FET)利用莫特-哈伯德绝缘体作为沟道层，并且由D.M.Newns et al.[Appl.Phys.Lett.73(1998)780]建议其为利用相变的开关装置的例子。与通常的MOSFET不同，莫特-哈伯德FET根据金属-绝缘体转变来导通和/或关闭，并且不包括耗尽区。因此，莫特-哈伯德FET比通常的MOSFET展示出更加高速的开关特性，并且可以大大改善其集成度。然而，因为莫特-哈伯德FET采用连续金属-绝缘体转变，所以必须连续地加入载流子电荷直至莫特-哈伯德FET展示出最佳金属特性。因此，所加的电荷将增加到很高的密度。结果，在莫特-哈伯德FET中栅绝缘层的介电常数必须很大，或者栅绝缘层的厚度必须很薄，或者所施与的栅电压必须很大。然而，如果介电常数太大，则在高开关操作期间电介质急剧退化，而这将导致缩短晶体管寿命。由于加工的限制，难于使得栅绝缘层的厚度薄。如果增加栅电压，则增加了功率损耗，并且这将导致晶体管不适合于低功率应用。
美国专利第6,624,463号揭示了一种突变金属-绝缘体转变装置，其采用突变金属绝缘体转变材料试示出决上述问题。突变金属-绝缘体将低密度空穴加入Mott-Brinkman-Reiss绝缘体，从而不连续而突变地产生从绝缘体状态到金属状态的转变。空穴驱动金属-绝缘体转变理论由Hyun-Tak Kim在论文′New Trends in Superconductivity′[NATO Science Series VoI 11/67(Kluwer，2002)pi 37]′和http://xxx.lanl.gow/abs/cond-mat/0110112中提出。因为所加入的空穴密度很低，所以可以解决采用金属-绝缘体转变材料的FET的问题。
然而，当在突变金属-绝缘体转变装置中产生金属-绝缘体相变时，在源极和漏极之间突然地流过很大的电流，并且因此产生高温发热操作。
图1是示出突变金属-绝缘体转变装置的电流(I)-电压(V)特性的曲线图。参照图1，在约27V漏极电压下突然地流过很大的漏极电流。当源极和漏极电极之间的间隙约为5μm，而栅极电极的线宽为25μm时，源极和漏极电极之间流过的电流的密度约为5×10E5A/cm2。因此很大的电流在源极和漏极电极之间流动，并且通过焦耳热而加热该装置。
在现有的突变金属-绝缘体转变装置中，Cr/Au用作源极和漏极电极。然而，Cr/Au不能承受高电流密度，并且受热退化。因此，如图2所示，沟道上的源极和漏极电极被击穿。结果，使突变金属-绝缘体转变装置的特性恶化。在严重恶化的情况下，突变金属-绝缘体转变装置不能再使用。
发明内容
技术问题本发明提供一种具有在高功率操作期间电极不被破坏的电极的突变金属-绝缘体转变装置及其制造方法。
技术方案根据本发明的一个方面，提供有一种突变金属-绝缘体转变装置，其包括突变金属-绝缘体转变材料层，具有小于或等于2eV的能隙和在一定空穴水平内的空穴；和两个电极，接触该突变金属-绝缘体转变材料层。两个电极的每一个都通过热处理一叠层来形成，该叠层的第一层形成在该突变金属-绝缘体转变材料层上，并且包括Ni或Cr，第二层形成在该第一层上，并且包括In，第三层形成在该第二层上，并且包括Mo或W，而第四层形成在该第三层上，并且包括Au。
突变金属-绝缘体转变装置可以实施为2端子开关装置，两个电极的第一电极可以设置在突变金属-绝缘体转变材料层的下表面上。并且两个电极的第二电极可以设置在突变金属-绝缘体转变材料层的上表面上。因此，该突变金属-绝缘体转变装置可以具有竖直结构，其中电流在相对于基板的垂直方向上流动。作为选择，两个电极可以设置在突变金属-绝缘体转变材料层上，以便彼此面对，并且彼此分开。因此，该突变金属-绝缘体转变装置可以具有水平结构，其中电流在相对于基板的水平方向上流动。
突变金属-绝缘体转变装置可以为3端子开关装置。该突变金属-绝缘体转变装置还可以包括栅绝缘层，形成在两个电极上；和另一个电极，形成在该栅绝缘层上，并且设置在上述两个电极之间的突变金属-绝缘体转变材料层之上。该另一个电极可以通过热处理一叠层而形成在该栅绝缘层上，该叠层的第一层形成在该栅绝缘层上，并且包括Ni或Cr，第二层形成在该第一层上，并且包括In，第三层形成在该第二层上，并且包括Mo或W，而第四层形成在该第三层上，并且包括Au。
根据本发明的另一个方面，提供有一种采用GaAs层作为突变金属-绝缘体转变材料层的2端子开关装置。该2端子开关装置的电极可以通过热处理Ni、In、Mo和Au的叠层而形成。中间层可以形成在电极和突变金属-绝缘体转变材料层之间。该中间层可以通过热处理引起的界面反应来形成。
根据本发明的再一方面，提供有一种突变金属-绝缘体转变装置的制造方法，该方法包括形成突变金属-绝缘体转变材料层，其具有小于或等于2eV的能隙和一定空穴水平之内的空穴；以及形成接触该突变金属-绝缘体转变材料层的两个电极。所述形成两个电极可以包括形成叠层，该叠层的第一层由Ni或Cr形成在该突变金属-绝缘体转变材料层上，第二层由In形成在该第一层上，第三层由Mo或W形成在该第二层上，而第四层由Au形成在该第三层上；以及热处理该叠层。
该方法还可以包括该叠层的第一层与该突变金属-绝缘体转变材料层之间的界面反应。
该方法还可以包括该叠层的第二层与该突变金属-绝缘体转变材料层反应，以在该两个电极和该突变金属-绝缘体转变材料层之间形成中间层，该中间层包括比该突变金属-绝缘体转变材料层更小的带隙。
第一、第二、第三和第四层可以采用电子束蒸发形成。
该方法还可以包括采用剥离工艺构图该叠层，以获得希望的电极图案。该突变金属-绝缘体转变材料层可以由GaAs层形成。GaAs层可以采用分子束外延晶体生长法形成。
如上所述，根据本发明的突变金属-绝缘体转变装置包括由Ni(Cr)、In、Mo(或W)和Au叠层所形成的电极。该电极可以具有低接触电阻，可以改善电流流动效率，并且可以防止在高功率装置的驱动期间由于高温放热反应引起的热退化。在具有这样电极的突变金属-绝缘体转变装置中，该电极不击穿。同样，不由于该电极的击穿而引起该突变金属-绝缘体转变装置的特性恶化。另外，该突变金属-绝缘体转变装置具有高可靠性。
有益效果根据本发明的突变金属-绝缘体转变装置包括由Ni(Cr)、In、Mo(或W)和Au叠层所形成的电极。因此，该电极具有低阻、高压特性。
换言之，这样的电极具有低接触电阻。因此，可以改善电流流动效率。包括该电极的突变金属-绝缘体转变装置的电流增益很高。同时，该电极可以防止在高功率装置的驱动期间由于高温放热反应引起的热退化。由此，包括所述电极的该突变金属-绝缘体转变装置是热稳定的。
参考附图，通过详细描述其示范性实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加明显易懂，其中图1是示出突变金属-绝缘体转变装置的I-V特性的曲线图；图2是显示由于突变金属-绝缘体转变装置的退化引起的源极和漏极电极击穿的扫描电子显微镜(SEM)照片；图3是根据本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置的截面图；图4是图3所示部分A的放大图；图5至7是示出根据本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置制造方法的透视图；图8是根据本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置的截面图；图9是根据本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置的布局图；图10是沿着图9所示X-X’线剖取的截面图；图11是示出突变金属-绝缘体转变装置相对于各种驱动电流的I-V特性的曲线图；图12是示出用于测量根据本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置和作为比较实例的突变金属-绝缘体转变装置的接触电阻的传输线测量(TLM)图案的示意图；
图13和14是示出本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置和作为比较实例的突变金属-绝缘体转变装置的每个的两个电极之间流过电流所测量量的曲线图；图15和16是示出本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置和作为比较实例的突变金属-绝缘体转变装置的评估可靠性的曲线图；图17是图15所示的本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置在五次连续测量后所拍摄的电极图案的SEM照片；和图18和19是示出本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置和作为比较实例的突变金属-绝缘体转变装置的操作特性的曲线图。
具体实施例方式
现在将参照附图更全面地描述本发明，在附图中显示了本发明的示范性实施例。然而，本发明可以以很多不同的方式予以实施，而不应该解释成限于在此揭示的实施例；相反，提供这些实施例以便于本公开更充分和完整，并且向本领域的技术人员全面传达本发明的构思。附图中相同的参考数字指代相同的元件，因此省略对其重复描述。
图3是根据本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置100的截面图。突变金属-绝缘体转变装置100被实施成具有水平结构的2端子开关装置。
参照图3，突变金属-绝缘体转变材料层20形成在基板10上。在此，突变金属-绝缘体转变材料层20可以设置在基板10的一部分表面上。缓冲层(未示出)还可以设置在基板10和突变金属-绝缘体转变材料层20之间。缓冲层可以设置在基板10的整个表面上。
突变金属-绝缘体转变材料层20具有2eV或更小的能隙，并且由具有在一定空穴水平之内的空穴的材料形成。突变金属-绝缘体转变材料层20可以由GaAs层即p型GaAs层形成。在此，基板10可以是半绝缘基板，如p型GaAs。
在本发明中，突变金属-绝缘体转变材料层20意味着由在加入低密度空穴期间产生突变金属-绝缘体转变的材料形成的薄膜。例如，突变金属-绝缘体转变材料层20可以是包括低密度空穴的p型半导体、包括低密度空穴的p型氧化物半导体，包括低密度空穴的包括III-V族和II-VI族半导体元素、转变金属元素和稀土元素、镧族元素的p型无机化合物半导体，包括低密度空穴的p型有机半导体，或绝缘体。在此，低密度根据莫特标准(Mott’s criterion)来判断，而空穴密度n给定为约(0.2/aH)3，其中aH为对应材料的aH波尔半径。例如，空穴密度n约为0.0018％，即约为n＝3×1018cm-3，相对于具有0.6eV的能隙和空穴水平的VO2。另一个例子，空穴密度n约为0.001％，即n＝1×10E14cm-3，相对于具有约1.45eV的能隙和空穴水平的p型GaAs。
用于形成突变金属-绝缘体转变材料层20的基板10不作特别限定。例如，基板10可以是Si、SiO2、GaAs、Al2O3、塑料、玻璃、V2O5、PrBa2Cu3O7、YBa2Cu3O7、MgO、SrTiO3、用Nb掺杂的SrTiO3或者绝缘体上硅(SOI)基板。缓冲层设置从而很好地从基板10生长突变金属-绝缘体转变材料层20，并且可以省略。缓冲层由在基板10和突变金属-绝缘体转变材料层20之间达到晶格匹配的材料形成，例如SiO2、Si3N4等。
突变金属-绝缘体转变材料层20接触两个电极，例如第一和第二电极，即源极和漏极电极30和40。源极和漏极电极30和40设置在突变金属-绝缘体转变材料层20上，以便以预定的距离即沟道长度彼此分开。
源极和漏极电极30和40分别通过热处理图4所示的叠层而形成。图4只显示了源极电极30的放大图，但是漏极电极40也具有如源极电极30相同的结构。
参照图4，第一、第二、第三和第四层22、24、26和28的一组叠层被热处理，以形成源极电极30。Ni或Cr的第一层22形成在基板10上，并且也形成在突变金属-绝缘体转变材料层20上。In的第二层24形成在第一层22上。Mo或者W的第三层26形成在第二层24上。Au的第四层28形成在第三层26上。叠层例如可以是Ni/In/Mo/Au，且Ni层形成于基板10上。
现在将描述构成源极和漏极电极30和40的Ni(或Cr)/In/Mo(或W)/Au的功能。
包括Ni(或Cr)的第一层22被采用以降低接触电阻，并且因此是接触由GaAs形成的突变金属-绝缘体转变材料层20的第一金属层，即用于欧姆接触的金属层。同样，第一层22可以是在高热处理工艺中在金属和GaAs层之间引发界面反应的反应材料层，以在沉积金属后获得欧姆接触。当沉积包括Ni(或Cr)的第一层22时，在源极和漏极电极30和40与由GaAs形成的突变金属-绝缘体转变材料层20的表面之间可能有热扩散。具有高热反应温度即高熔点的NiGa化合物通过界面反应而形成，从而突变金属-绝缘体转变装置在高温下热稳定操作。
包括In的第二层24是形成在第一层22上的第二金属层，而第一层22接触由GaAs形成的突变金属-绝缘体转变材料层20，即欧姆接触的金属层。在高温热处理工艺中，第二层24朝着在第一层22下面的由GaAs形成的突变金属-绝缘体转变材料层20扩散，以与具有大带隙的GaAs产生界面反应，从而形成具有比突变金属-绝缘体转变材料层20与源极和漏极电极30和40的每一个之间的GaAs层更小带隙的InGaAs层。因此，在GaAs层与源极和漏极电极30和40的每一个之间的势垒可以被降低，以便最大化突变金属-绝缘体转变装置的特性。
换言之，In产生了具有介于金属层和GaAs层之间带隙的新化合物，来降低势垒，从而增加电流的流入效率。通常，当制造采用化合物半导体如GaAs的装置时，带隙偏置即势垒存在于具有大带隙的GaAs层和形成用于电流流动的电极之间。在电流流入以操作突变金属-绝缘体转变装置的情况下，由于势垒电流不能平稳流入，很大的电压降产生在GaAs层和电极之间。因此，突变金属-绝缘体转变装置的驱动电压增加。结果，采用化合物半导体如GaAs的突变金属-绝缘体转变装置的操作效率降低。
然而，如果在本发明的实施例中使用包括In的第二层24，则形成具有比GaAs层更小带隙的InGaAs层，以降低势垒。因此，电流平稳地流入突变金属-绝缘体转变装置。在突变金属-绝缘体转变材料层20与源极和漏极电极30和40的每一个之间不产生大的电压消耗。如上所述，根据本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置的源极和漏极电极30和40的每一个包括包含In的第二层24。因此，比突变金属-绝缘体转变材料层20具有更小带隙的中间层(未示出)还可以形成在源极和漏极电极30和40的每一个与突变金属-绝缘体转变材料层20之间。
包括Mo(或W)的第三层26是源极电极30的第三金属层，该源极电极30接触由GaAs形成的突变金属-绝缘体转变材料层20。在第二层24的In和第四层28的Au之间引入Mo(或W)，以防止在高功率装置的驱动期间在高温操作工艺中由Au热扩散引起的欧姆特性电阻(ohmic characteristicresistance)。同样，Mo(或W)具有高熔点，以便防止电极在高功率装置的驱动期间由于热退化引起的击穿。
包括Au的第四层28是源极电极30的第四金属层，该源极电极30接触由GaAs形成的突变金属-绝缘体转变材料层20。为了引线键合，Au沉积在电极材料的最高层上。Au基本上具有相对于GaAs的较低的电流流入效率，即肖特基特性(schottky characteristic)。然而，在高温处理工艺中，由于热扩散引起的Au流向具有欧姆特性的Ni和In的情况下，产生低电阻特性。因此，欧姆特性恶化。如上所述，第三层26防止这样的热扩散。
如上所述，在本发明中，由于带隙再造(re-engineering)可以获得低电阻欧姆接触。同样，可以形成稳定的欧姆电极，其甚至在高温下操作期间不因热退化而变形。
现在参照图3描述具有上述结构的突变金属-绝缘体转变装置100的操作。当具有预定大小的偏压施加到源极和漏极电极30和40时，具有预定大小的电场形成在源极和漏极电极30和40之间的突变金属-绝缘体转变材料层20的两端。由于电场而产生空穴掺杂，即在突变金属-绝缘体转变材料层20内的一定空穴水平的空穴被注入到价带。因为产生空穴掺杂，所以突变金属-绝缘体转变材料层20从绝缘体状态转变成金属状态。结果，大量的电流在源极和漏极电极30和40之间流动。
然而，在根据本发明实施例的突变金属-绝缘体转变装置100的源极和漏极电极30和40中，在用于欧姆接触的包括Ni(或Cr)的第一层22和包括In的第二层24与用于引线键合的包括Au的第四层28之间引入包括具有高熔点的Mo(或W)的第三层26，以防止源极和漏极电极30和40被击穿。因此，例如Ni、In等的下层的低电阻特性甚至在高电流、高功率操作期间不因Au的热扩散而被降低和恶化。
现在将参照图5至7描述突变金属-绝缘体转变装置100的制造方法，该突变金属-绝缘体转变装置100是具有水平结构的2端子开关装置。
如图5所示，提供基板10，其优选为p型GaAs基板。
如图6所示，突变金属-绝缘体转变半导体材料，优选为p型GaAs层，在基板10上被沉积并且构图，以形成突变金属-绝缘体转变材料层20。GaAs层可以采用MBE晶体生长法沉积。光致抗蚀剂层采用旋涂机涂敷在GaAs层上，然后利用Cr掩模根据光刻工艺构图。还可以使用RF离子研磨作为蚀刻法。如图6所隔离的突变金属-绝缘体转变材料层20可以通过这样的构图工艺形成。在此，在突变金属-绝缘体转变半导体材料沉积在基板10上之前，可以形成缓冲层。
如图7所示，源极和漏极电极30和40形成在突变金属-绝缘体转变材料层20上，以便彼此分开并且彼此面对。为此目的，如参照图4所描述，形成分别包括Ni或Cr、In、Mo或W和Au的第一、第二、第三和第四层22、24、26、28的一组叠层。第一至第四层22、24、26、28分别采用电子束蒸发法沉积。此后，第一至第四层22、24、26、28采用剥离工艺构图，以暴露作为沟道区的突变金属-绝缘体转变材料层20的表面的一部分。接下来，在所暴露部分的两侧形成源极和漏极电极30和40，以便彼此分开并且彼此面对。进行了用于欧姆接触的高温处理，以引起必要的界面反应。
图8是根据本发明另一个实施例的突变金属-绝缘体转变装置200的截面图。在此，突变金属-绝缘体转变装置200被实施成2端子开关装置。
参照图8，第一电极30、突变金属-绝缘体转变材料层120和第二电极140依次堆叠在基板110上。换言之，两个电极的第一电极130例如源极电极，设置在突变金属-绝缘体转变材料层120的下表面上，且第二电极140例如漏极电极，设置在突变金属-绝缘体转变材料层120的上表面上。
突变金属-绝缘体转变装置200与参照图3至7所描述的具有水平结构的突变金属-绝缘体转变装置100相同，除了突变金属-绝缘体转变材料层130转变成金属状态并且因此电流在相对于基板110垂直的方向上流动之外。突变金属-绝缘体转变装置200就制造方法而言与突变金属-绝缘体转变装置100相同，除了第一电极130、突变金属-绝缘体转变材料层120和第二电极140的堆叠次序外。
图9是根据本发明再一实施例的突变金属-绝缘体转变装置300的布置图，而图10是沿着图9的X-X’线剖取的截面图。在本实施例中，突变金属-绝缘体转变装置300是3端子开关装置。
参照图9和10，突变金属-绝缘体转变材料层220形成在基板210上。如图9所示，突变金属-绝缘体转变材料层220可以在基板210的一部分表面上设置成方形。两个电极，例如第一和第二电极，即源极和漏极电极230和240，接触突变金属-绝缘体转变材料层220。源极和漏极电极230和240以预定的间隔即沟道长度设置在突变金属-绝缘体转变材料层220上。
源极电极230附着到突变金属-绝缘体转变材料层220的左侧和突变金属-绝缘体转变材料层220的一部分表面。漏极电极240附着到突变金属-绝缘体转变材料层220的右侧和突变金属-绝缘体转变材料层220的一部分表面。
突变金属-绝缘体转变材料层220、源极电极230和漏极电极240的结构以及形成突变金属-绝缘体转变材料层220、源极电极230和漏极电极240的方法与突变金属-绝缘体转变装置100的突变金属-绝缘体转变材料层20、源极电极30和漏极电极40的相同或类似。
如图10所示，栅绝缘层250形成在源极和漏极电极230和240、突变金属-绝缘体转变材料层220和基板210的一部分表面上。栅绝缘层250可以是介电常数约为43的Ba0.5Sr0.5TiO3(BST)介电层，但不限于此。栅绝缘层250可以是替代BST介电层的其他介电层，例如高介电常数介电层，如Ta2O5，或者具有一般绝缘特性的栅绝缘层，如Si3N4、SiO2介电层。另一个电极，即栅极电极260，形成在栅绝缘层250上。为了形成栅极电极260，可以热处理分别包括Ni(或Cr)、In、Mo(或W)和Au的第一、第二、第三和第四层的叠层。形成栅极电极260的方法与形成源极和漏极电极230和240的方法相同。换言之，在前述实施例所采用的形成源极和漏极电极30和40的方法可以用于本实施例。
如上所述，突变金属-绝缘体转变装置可以实施成各种类型的装置，如具有水平结构的2端子开关装置、具有竖直结构的2端子开关装置和3端子开关装置，并且包括由Ni(或Cr)、In、Mo(或W)和Au叠层形成的至少两个电极。两个电极可以具有低接触电阻，改善电流的流入效率，并且防止在高功率装置的驱动期间由于高温放热反应引起的热退化。因此，可以防止两个电极击穿，并具有高可靠性。
下面将通过如下作为实例的实验结果来描述本发明的一些方面，这不旨在限制本发明的范围。应该清楚的是，本发明非常适于达到上述的和下面关于实验的以及其自身固有的目标和优点。尽管为了该揭示的目的已经描述了各种实施例，包括当前优选的实施例，但是可以对其进行各种变化和修改，这也在本发明的范围之内。可以进行本领域的技术人员容易联想的并且包含于本发明所揭示的精神之中的各种其他变化。
在该实验中，制造参照图3至7所描述的具有水平结构的2端子开关装置。
提供p型GaAs基板作为基板10，且采用MBE晶体生长法从基板10生长作为突变金属-绝缘体转变材料层20的p型GaAs层，其厚度达350nm。接下来，采用RF离子研磨法蚀刻p型GaAs层，以形成隔离区。采用电子束蒸发法沉积作为第一、第二、第三和第四层22、24、26和28分别具有厚度25nm、20nm、50nm和200nm的Ni、In、Mo和Au薄膜，然后采用剥离工艺形成为源极和漏极电极的图案。在此，沟道的长度和宽度分别为5μm和10μm。
在通过上面工艺所制造的装置中，电压施加到为沟道层的GaAs层(如20)，从而电流在沟道层中流动。因此，空穴在GaAs层内产生。在此，突变金属-绝缘体转变产生在GaAs层中，并且因此将GaAs层转变成金属状态。结果，形成大量电流会流动的导电沟道。
另外，为了在相同的条件下与上面根据图3-7所制造的两端子相比较，制造了具有水平结构并且包括由传统Cr和Au形成的源极和漏极电极的2端子开关装置，在下文该装置将称为“比较例装置”。
图11是显示突变金属-绝缘体转变装置相对于各种驱动电流的I-V特性的曲线图。在此，-△-、-○-和-□-分别表示3mA、10mA和15mA的驱动电流。参照图11，在“比较例装置”(即用Cr和Au源极/漏极电极在以上制造的二端子装置)的情况下，在约3mA的驱动电流下电极击穿，并且因此不能使用。在根据本发明所制造的二端子装置的情况下，甚至在15mA的驱动电流下电极不击穿，并且产生电流突升(current-jump)(参考符号B)。因此，在如本发明中提供由Ni、In、Mo和Au叠层形成电极的情况下，突变金属-绝缘体转变装置可以实施成甚至在高驱动电流下可以被驱动的高功率突变金属-绝缘体转变装置。
图12是示出用于测量根据本发明所制造的突变金属-绝缘体转变装置和“比较例装置”的接触电阻的传输线模式(TLM)图案的示意图。如图12所示，制作用于测量接触电阻的TLM图案P，从而两个TLM图案P之间的间隙为10、15、20或25μm，而每个TLM图案P的宽度为100μm。
图13和14是显示在根据本发明所制造的突变金属-绝缘体转变装置和“比较例装置”的每一个的两个电极之间电流流动量的曲线图。在该曲线图中，符号-□-、-○-、-△-和--表示在两个TLM图案P之间的间隙分别为10、15、20和25μm的情况。
参照图13，在本发明的情况下，当TLM图案P之间的间隙是10μm(-□-)时，在25V漏极电压下可以获得150μA的漏极电流。然而，参照图14，在“比较例装置”的情况下，当TLM图案P之间的间隙是10μm(-□-)时，在25V漏极电压下可以获得50μA的漏极电流。因此，虽然施加了相同的电压，但是在本实施例中的电流是在“比较例装置”中的电流的三倍高。这是因为Ni和In在本发明中用作接触GaAs层(为沟道层)的第一金属，从而在电极和GaAs层之间的接触电阻低于采用Cr和Au会存在的接触电阻。
图15和16是显示根据本发明所制造的突变金属-绝缘体转化装置和“比较例装置”的评估的可靠性的曲线图。在本发明的情况下，约5×105A/cm2的电流流过该装置，并且被测量了几十次。然而，电极不击穿。图15显示了电流五次连续测量的结果。在此，-◇-、--、-△-、-○-和-□-表示第一、二、三、四和五次测量的结果。图17是如图15所示根据本发明的突变金属-绝缘体转变装置在五次连续测量后所拍摄电极图案的SEM照片。在此，电极没有因突变金属-绝缘体转变装置的退化而击穿。
然而，如图16所示，在“比较例装置”的情况下，电极击穿，在用于测量数据的对所采用的突变金属-绝缘体转变装置测量期间由于其退化发生两次短路。如上所述，本发明的突变金属-绝缘体转变装置比“比较例装置”具有更高的可靠性。这是因为本发明所采用的电极由Mo、W等形成。
图18和19是示出根据本发明的突变金属-绝缘体转变装置和比较实例的操作特性的曲线图。如图18所示，在本发明的情况下，降低了接触电阻，从而降低了导通电压(turn-on voltage)Vt到约10.2V。然而，如图19所示，在比较实例的情况下，接通电压Vt约为23.5V。因此，在本发明的情况下，导通电压Vt可以降低为大于或等于10V。这意味着可以实现具有低功率消耗和高功率的高效开关装置。
权利要求
1.一种突变金属-绝缘体转变装置，包括突变金属-绝缘体转变材料层，具有小于或等于2eV的能隙和在一定空穴水平之内的空穴；和第一和第二电极，接触该突变金属-绝缘体转变材料层，其中，该第一和第二电极中的每一个都通过热处理一组叠层来形成，该叠层包括第一层，形成在该突变金属-绝缘体转变材料层上，并且包括Ni或Cr；第二层，形成在该第一层上，并且包括In；第三层，形成在该第二层上，并且包括Mo或W；和第四层，形成在该第三层上，并且包括Au。
2.如权利要求1所述的突变金属-绝缘体转变装置，还包括中间层，具有第一带隙，形成在(1)该第一和第二电极与(2)具有第二带隙的该突变金属-绝缘体转变材料层之间，其中该第一带隙小于该第二带隙。
3.如权利要求1所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中该第一电极设置在该突变金属-绝缘体转变材料层的下表面上，而该第二电极设置在该突变金属-绝缘体转变材料层的上表面上。
4.如权利要求1所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中该第一电极设置在该突变金属-绝缘体转变材料层的上表面上，而该第二电极设置在该突变金属-绝缘体转变材料层的下表面上。
5.如权利要求4所述的突变金属-绝缘体转变装置，还包括栅绝缘层，形成在该第一和第二电极上；和第三电极，形成在该栅绝缘层上，并且设置在该第一和第二电极之间的该突变金属-绝缘体转变材料层之上。
6.如权利要求5所述的突变金属-绝缘体转变装置，其中该第三电极通过热处理另一组叠层而形成在该栅绝缘层上，该叠层包括第五层，形成在该栅绝缘层上，并且包括Ni或Cr；第六层，形成在该第五层上，并且包括In；第七层，形成在该第六层上，并且包括Mo或W；和第八层，形成在该第七层上，并且包括Au。
7.一种突变金属-绝缘体转变装置，包括突变金属-绝缘体转变材料层，由GaAs形成；和第一和第二电极，设置在该突变金属-绝缘体转变材料层上，以便彼此面对并且彼此分开，其中该第一和第二电极中的每一个都通过热处理一组叠层而形成，该叠层包括第一层，形成在该突变金属-绝缘体转变材料层上，并且包括Ni和Cr；第二层，形成在该第一层上，并且包括In；第三层，形成在该第二层上，并且包括Mo或W；和第四层，形成在该第三层上，并且包括Au。
8.如权利要求7所述的突变金属-绝缘体转变装置，还包括中间层，由InGaAs形成在(1)该第一和第二电极与(2)该突变金属-绝缘体转变材料层之间。
9.一种制造突变金属-绝缘体转变装置的方法，包括形成具有小于或等于2eV的能隙和在一定空穴水平之内的空穴的突变金属-绝缘体转变材料层；通过子步骤形成接触该突变金属-绝缘体转变材料层的第一和第二电极中的每一个，所述子步骤包括在该突变金属-绝缘体转变材料层上由Ni或Cr形成第一层；在该第一层上由In形成第二层；在该第二层上由Mo或W形成第三层；以及在该第三层上由Au形成第四层；以及热处理该第一、第二、第三和第四层的叠层。
10.如权利要求9所述的方法，其中该叠层的该第一、第二、第三和第四层采用电子束蒸发形成。
11.如权利要求9所述的方法，其中该子步骤还包括采用剥离工艺来构图该叠层。
12.如权利要求9所述的方法，其中该突变金属-绝缘体转变材料层由GaAs层形成。
13.如权利要求12所述的方法，其中该GaAs层采用分子束外延晶体生长法形成。
14.如权利要求12所述的方法，其中该子步骤还包括反应该第二层和该突变金属-绝缘体转变材料层，以在(1)该第一和第二电极与(2)该突变金属-绝缘体转变材料层之间形成InGaAs的中间层。
15.如权利要求12所述的方法，其中该子步骤还包括反应该第二层和该突变金属-绝缘体转变材料层，以在(1)该第一和第二电极与(2)该突变金属-绝缘体转变材料层之间形成InGaAs的中间层。
16.如权利要求9所述的方法，其中该子步骤还包括反应该第二层和该突变金属-绝缘体转变材料层，以在(1)该第一和第二电极与(2)该突变金属-绝缘体转变材料层之间形成中间层，其中该中间层的带隙小于该突变金属-绝缘体转变材料层的带隙。
17.如权利要求9所述的方法，其中该第一电极设置在该突变金属-绝缘体转变材料层的下表面上，而该第二电极设置在该突变金属-绝缘体转变材料层的上表面上。
18.如权利要求9所述的方法，其中该第一和第二电极设置在该突变金属-绝缘体转变材料层上，以便彼此面对并且彼此分开。
19.如权利要求18所述的方法，还包括在该第一和第二电极上形成栅绝缘层；并且第三电极形成在该栅绝缘层上，从而设置在该突变金属-绝缘体转变材料层之上和在该第一和第二电极之间。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述形成该第三电极包括下述子步骤形成另一组叠层，包括在该栅绝缘层上由Ni或Cr形成第五层；在该第五层上由In形成第六层；在该第六层上由Mo或W形成第七层；在该第七层上由Au形成第八层；以及热处理该另一组叠层。
全文摘要
突变金属－绝缘体转变装置包括突变金属－绝缘体转变材料层，包括小于或等于2eV的能隙和在一定空穴水平之内的空穴；和两个电极，接触突变金属－绝缘体转变材料层。在此，两个电极中的每一个都通过热处理一叠层来形成，该叠层的第一层形成在突变金属－绝缘体转变材料层上，并且包括Ni或Cr，第二层形成在第一层上，并且包括In，第三层形成在第二层上，并且包括Mo或W，而第四层形成在第三层上，并且包括Au。
文档编号H01L29/66GK101073156SQ200580042261
公开日2007年11月14日 申请日期2005年12月5日 优先权日2004年12月8日
发明者尹斗协, 金铉卓, 蔡秉圭, 孟成烈, 姜光镛 申请人:韩国电子通信研究院