专利名称：具有并联导电层的突变金属-绝缘体转变装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用金属-绝缘体转变(MIT)效应的装置，更具体而言， 一种使用其相能够转变为金属的突变MIT材料作为导体的装置。
背景技术：
众所周知，MIT发生于Mott (莫脱)绝纟彖体和Hubbard (哈伯德)绝 缘体。所述Hubbard绝缘体为连续的MIT。在D.M.Newns等人的文章 (Appl.Phys丄ett.,vol. 73, p.780,1998 )中介绍了使用所述Hubbard绝缘体作 为沟道层的场效应晶体管。因为所述Hubbard绝缘体使用连续发生的MIT， 需要连续地添加作为载流子使用的电荷，直到达到极好的金属化特性。Hyun-TakKim的一篇文章，NATO Science Series Vol. 11/67, Kluwer,p. 137,200，其也在网站http:〃xxx.lanl.gow/abs/cond-mat/0110112上， 教导了一种理论，其支持基于所述Mott绝缘体的突变MIT。依照上述文章 中的所述理论，所述Mott绝缘体有束縛的和金属化的电子结构。使得所述 Mott绝缘体的电子之间的能量改变，且因此，绝缘体到金属转变不是连续 性发生，而是突变发生。改变温度、压强或电场促使所述Mott绝缘体电子 之间能量的改变。例如，当给所述Mott绝缘体添加具有低掺杂密度的空穴 时，所述绝缘体到金属的转变突变或突然地发生。在典型的突变MIT装置中，当不连续的MIT发生时，大电流量突然流 动。因而，导电层更可能恶化。图1为一个典型MIT装置IO的俯视图。所述典型MIT装置10包括电极对14和16,其排列为在衬底12的特 定区域相互分开预定的距离。在所述电极对14和16之间，设置了MIT材 料层。所述MIT材料层在电极对14和16之间形成了一个电连4姿并且产生 突变MIT。所述突变MIT导致所述MIT材料层转变成金属层。因此，所述 MIT材料层可以作为导电层18使用。所述导电层18的宽度为W。图2示出了样品20的俯视图，该样品20通过微拉曼光谱分析来检查 所述典型MIT装置IO(图1)的导电层18的结构均匀性。图3示出了对于5图2所示的导电层18的强度作为拉曼位移函数的曲线图。众所周知，拉曼 光i普用来观测晶格的振动能量。对金属，无法观测到峰值。为了清晰，所 述导电层18的宽度K被夸大。所述样品20包括设置于支撑22上的导电层18，和分割成一定数量区 域并且接触导电层18的分析电极24。例如，分析电极24分割成包括上部 区域24A、中部区域24B和下部区域24C的三个区域，并且具有突出结构。 在图3中，作为拉曼位移的函数的强度，其通常以单位为cm"报道，显示 了衬底的特征，更具体而言，代表Al2Cb的区域a,以及当一个大电流量， 如图8中所标注的电流F流过导电层18时，测量的区域b和c。弯曲区域 b和c为分别在中部区域24B (见图2)与上部区域和下部区域24A和24C 的测量。参考数字35代表表示Ab03的峰值。散射的拉曼峰值代表导电层 18的相还没有转变为金属状态。因此，MIT没有在上部区域24A和下部区 域24C发生，并且继续保持在绝缘体状态。中部区域24B具有到金属的相 转变。包括绝缘体区域的导电层18被称为非均匀导电层。然而，被用作导 电层的MIT材料一般需要是均匀的。即导电层需要成为一个均匀的导电层， 其在MIT后完全转变成金属层。因为典型加工方法的几种限制，在实际的工业实践中，导电层经常是 非均匀的。例如，本专利申请的发明人在NewJ.Phys. Vol.6，p.52，2004中报 告了此示范例。其实验验证了因为非均匀特性，导电层18容易被恶化。具 体而言，非均匀导电层18因为大电流量产生的热而容易被恶化。为了在其它应用领域中实现MIT，在从绝缘体到金属的相转变发生后， 大电流量需要均勻地流动。因此，通常关键的是开发均匀导电层。还没有 开发当电流流过MIT装置时减少导电层恶化的方法。发明内容技术问题本发明提供一种突变MIT装置，当电流流过导电层时，其能够减少导 电层的恶化。技术解决方案依照本发明的一个方面，提供了一种突变MIT装置，其包括设置于衬 底特定区域的第一电极、设置与第一电极分开预定距离的第二电极，和至少一个导电层，其电连接第一电极和第二电极，并且具有允许导电层的整个区域因为MIT转变为金属层的宽度。突变MIT装置还可以包括配置延伸跨过导电层特定区域的栅电极，和 夹置于导电层和栅电极之间的栅绝缘层。导电层、第一电极和第二电极可 以配置成为保护电路的部分。此外，突变MIT装置还可以包括与保护电路 并联连接的电子系统。
通过参考附图详细描述示范性实施例，本发明的上述和其它特征与优 势将变得更明显，在附图中图1示出包括配置为水平结构的两个端子的典型MIT装置的俯^L图；图2示出通过微拉曼光谱分析以检查典型MIT装置的导电层结构均匀 性的样品的俯视图；图3示出图2所示的导电层的强度作为拉曼位移函数的曲线图；图4示出依照本发明的一个实施例，包括配置为水平结构的两个端子 的MIT装置的俯视图；图5示出依照本发明的另一个实施例，包括配置为水平结构的三个端 子的MIT装置的俯视图，其中在导电层上形成了栅绝缘体；图6示出依照本发明的另一个实施例，包括配置为水平结构的三个端 子的MIT装置的俯视图，其中在导电层下形成了栅绝缘体；图7示出依照本发明的另一个实施例，包括配置为水平结构的三个端 子的MIT装置的俯视图，在栅绝缘体上形成了导电层；图8示出依照本发明的一个实施例，施加到导电层上的电流(I)对电 压(V)的曲线图；图9示出依照本发明的一个实施例，保护电路、等效负荷R^和电源电 压Vp端子的电路图；及图10示出依照本发明的一个实施例，对于图9所示的电源电压Vp端 子施加约1，500V电压，MIT装置的电压对时间的曲线图。
具体实施方式
下文将参考附图对本发明进行更全面的阐述,7在附图中显示了本发明的实施例。然而本发明能够以多种不同形式实施，且不应理解为限于这里 阐明的实施例。而是，提供这些实施例使得该公开充分和完整，并且将本 发明的构思完整传递给本领域的技术人员。即使在不同的附图中，相似的 参考数字表示相似的元件。在下文中将详细描述依照本发明的各种实施例的、因为MIT而完全转 变成金属层的导电层以及使用该导电层的MIT装置。导电层具有一个电流 可以流动的路径，具体而言，依照本发明的各种实施例的导电层能够在其 全部宽度上转变为金属层。如图3所描述，导电层没有离散的拉曼峰，更 具体而言，电流需要均匀流到导电层。依照本发明的各种实施例的导电层包括能够经历突变MIT的材料。因 而，使用该导电层的装置能够被称为MIT装置。在本发明的范围和精神内， MIT装置能够被修改成各种形式。所示的MIT装置为示范性实施例。图4示出依照本发明的一个实施例，包括配置为水平结构的两个端子 的MIT装置100的俯视图。如图描述，在第一电极104和第二电极106之间设置了至少一个导电 层110,第一电极104和第二电极106排列以在衬底102的特定区域上彼此 分开预定的距离。导电层IIO在第一电极104和第二电极106之间形成了 电连接，并且在本实施例中，形成了多个导电层IIO。每一个导电层110有 一个宽度为W" W2或W3的区域，在该区域，单独的导电层IIO能够因为 MIT转变为金属层。如果有多个导电层IIO，导电层IIO可以并联电连接。 尽管未示出，緩沖层还可以设置在衬底102和导电层110之间。緩冲层可 以设置于整个衬底102上。导电层110可以包括选自由无机化合物半导体和绝缘体、有机半导体 和绝缘体、半导体、以及氧化物基半导体和绝缘体构成的组的一种。无机 化合物半导体包括选自由氧、碳、来自III到V族或II到IV族的半导元素、 过渡金属元素、稀土元素、镧基元素构成的組的一种，且向其添加具有低 掺杂密度的空穴。具有低掺杂密度的空穴也添加到有机半导体、绝缘体和 半导体、以及氧化物基半导体和绝缘体。具有设定宽度的导电层110的整个区域被转变成金属层，因而，没有 观测到拉曼峰。并且，电流需要均匀流过导电层110。如果电流贯穿导电层 IIO是均匀的，则能够减少因电阻导致的发热。因此，导电层110能够更稳定地形成。
流过导电层110的电流与多个导电层110的区域的和完全一样，电流
的量可以至少两倍于流过导电层18的电流，导电层18有如图3所述的拉 曼峰。例如，假设一个包含拉曼峰的导电层(例如，非均匀导电层)具有 宽度W，该导电层可以分割成多个导电层110，其中每一个具有宽度Wp \￥2或W3,如本实施例所述。尽管图3示出了例如为均匀导电层的三个导电 层IIO,但是如果需要可以形成各种数量的导电层110。依照本实施例的导 电层110为均匀性导体。因而，与流到典型非均匀导电层相比，更大的电 流能够流到该导电层110。多个导电层110的并联连接允许电流以更大的程 度提高。
第一电极104和第二电极106中的每个可以包括选自由金属族、选自 该金属族的金属的化合物、以及包括来自所述金属族的一种金属和所述化 合物的氧化物基材料构成的组的一种。金属族包括Li、 Be、 C、 Na、 Mg、 Al、 K、 Ca、 Sc、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Ga、 Rb、 Sr、 Y、 Zr、 Nb、 Mo、 Tc、 Ru、 Rh、 Pd、 Ag、 Cd、 In、 Sn、 Sb、 Cs、 Ba、 La、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Os、 Ir、 Pt、 Au、 Hg、 Pb、 Bi、 Po、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu、 Th、 U、 Np和Pu。。
可以进一步在导电层110和第一电极104之间、以及导电层110和第 二电极106之间形成抵抗热量的保护电极108,该热量可能由流到导电层 110的电流产生。由于如图1所示的导电层110可以实现为多个导电层110, 也可以形成多个保护电极108。保护电极108可以包括由金属族、选自该金 属族的金属的化合物、以及包括来自所述金属族的一种金属和所述化合物 的氧化物基材料构成的组的一种。金属族包括Li、 Be、 C、 Na、 Mg、 Al、 K、 Ca、 Sc、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Ga、 Rb、 Sr、 Y、 Zr、 Nb、 Mo、 Tc、 Ru、 Rh、 Pd、 Ag、 Cd、 In、 Sn、 Sb、 Cs、 Ba、 La、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Os、 Ir、 Pt、 Au、 Hg、 Pb、 Bi、 Po、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu、 Th、 U、 Np和Pu。
尽管衬底102不限于特殊的材料，但是衬底102可以包括选自由有机 层、无机层、包括多个有机层和无机层的至少一个多层、和其构图的结构 构成的组的一种。例如，衬底102可以利用各种材^1"形成，例如单晶蓝宝 石、硅、玻璃、石英、化合物半导体和塑料材料。在使用玻璃或塑料材料的情形，反应温度受限。使用塑料材料允许衬底102是柔性的。当要求衬
底102具有8英寸以上的直径时，硅、玻璃和石英是有利的。衬底102也 可以具有绝缘体上硅结构(SOI)来满足要求。
形成缓冲层来改善结晶度和附着力。緩冲层可以包括具有与导电层110 相似晶格常数的晶体薄膜。例如，緩沖层可以由选自由氧化铝、高k介电 材料、晶体金属和氧化硅构成的组的一种形成。可以保持一定结晶度的氧 化铝层是足够的，且氧化硅层形成得尽可能薄。特别的，緩冲层可以形成 为包括具有出色结晶度的高k介电层、其混合层、和/或晶体金属层的多层。 Ti02、 Zr02、 Ta20s和Hf02层是高k介电层的例子。
在有两个端子的装置中，因为导电层110转变成金属层，电流在水平 于衬底102的方向流动。尽管没有详细描述，导电层可以应用于具有配置 为垂直结构的两个端子的装置，其中电流在垂直于衬底102的方向流动。
图5到7示出依照本发明的其他实施例的各个MIT装置210、 220和 230的俯视图。具有配置为水平结构的三个端子的装置在本发明其他实施例 中在以下示例。相同参考数字代表了图4中描述的相同元件，并且因此忽 略了其详细描述。
如图5所示，具有三个端子的装置(即MIT装置210)可以被配置， 使得栅绝缘层202设置于导电层110上方，并且第三电极204延伸跨过栅 绝缘层202的特定区域。如图6所示，具有三个端子的另一装置(即MIT 装置220)可以被配置，使得第四电极214设置于衬底102和导电层110之 间，并且第四电极延伸跨过导电层110的特定区域，栅绝缘层212形成于 第四电极214和导电层110之间。图5示出一个装置结构，其中第三栅电 极204设置于导电层110的顶部上。作为对比，图6示出了一个装置结构， 其中第四栅电极214设置于导电层110的下面。
图7示出了一个装置结构，除了导电层222的形状外，其与图6所示 的装置结构基本相同。导电层222可以配置以覆盖第一电极104和第二电 极106之间整个区域。导电层222具有允许导电层222的整个区域因为MIT 转变为金属层的宽度Wf。与图5和6中所示的导电层110不同，导电层222 没有被分割。当施加电场时，在第一电极104和第二电极106之间沿具有 最短距离的区域，形成了导电层222的导电通道。因此，图7所示的具有 三个端子的装置可以和图5或6所示的具有三个端子的装置相似地操作。因为下述原因，图5到7所示的栅绝缘层202和212覆盖了导电层110 和222的每个的一个表面区域。因为导电层202和212已经转变为金属层， 所以如所知，电流由于表面效应流到导电层110和222的表面。如果需要， 可以通过覆盖导电层110和222暴露的表面，例如图5所示的导电层110 的上表面或两个侧面，从而调节流到接触栅绝缘层202或212的导电层110 或222的电流量。
图5到7显示了依照本发明的实施例，使用单层或多层导电层的具有 三个端子的装置的各种示范性实施例。因此，在不背离本发明的范围和精 神的情况下，导电层能够应用于配置为各种结构的具有三个端子的装置中。
图8为依照本发明的一个实施例，导电层的电流(I)对电压(V)的 曲线图。导电层具有约15 jam的长度。形成了多个导电层(即被分割的导 电层)。在此实施例中，导电层被分割成10个区域，每一个区域具有大致 10 iam的宽度，并且导电层的10个被分割的区域并联连接，以具有大致 150 jum的总宽度W。参考符号口、 O和A分别代表进行的测试次数，例
^!口一)欠、两;欠牙口三;欠。
如所示，导电层具有一个临界电压e,在该临界电压e,导电层的突变 电子特性从绝缘体d突然转变为金属状态f。在本实施例中，导电层经历突 然转变的临界电压为约13V。更具体而言，当导电层的电压为从约O到13V 的电压范围中时，导电层处于绝缘体状态d,其中几乎没有电流流过，且当 导电层的电压大于约13V时，导电层处于金属状态f。换句话说，在约13V 的电压发生突然的电流跳跃。此时，当导电层处于金属状态f,其包含大量 电子。临界电压，即导电层的电子特性，可以根据包括突变MIT材料层的 装置结构以及所使用的材料层类型而变化。
图9为依照本发明的一个实施例，示出保护电路300、等效负荷RL和 电源电压Vp端子的示范性电路图。
保护电路300被配置来移除通过提供电源电压Vp的端子施加到等效负 荷Rt的静电，或移除高电压和高频噪音。保护电路300配置有并联连接的 一个MIT装置(例如图4所示的具有两个端子的装置)和保护电阻Rp。为 了保护MIT装置，保护电阻Rp将施加到MIT装置的电压或电流限制为一 个特定的水平或量。
图IO示出了对于从图9所示的电源电压Vp端子施加的电源的电压对时间的曲线图。在/人约250V到约1000V的电压范围内，每隔50V测量MIT 装置的电压。在从约1000V到约1500V的电压范围内，每隔IOOV测量MIT 装置的电压。每个测量点测量的电压水平用小圓圈O标识。使用图8所示 的导电层。更具体而言，导电层具有约为15 jam的长度L和通过在导电层 的IO个分割区域之间形成并联连接获得的约为150 pm的总宽度，每个区 域具有约10 ium的宽度。
如所示，当电源电压Vp端子施加约1,500 V电压IO巧秒时，在导电层 发生MIT。因此，大部分电流流到该导电层。因为保护电^各300的电阻， 剩余的电压的水平约为800V,并且约1320V的剩余电压施加到等效负荷 Rl，即负载电阻。然而，当电压施加到负载电阻RL时，几乎没有电流。因 而，可以减少通常由于电源电压Vp造成的对负载电阻RL的损伤。电源电压 Vp可以为通过端子施加的噪声。
如本领域所知，随导电层的电阻减小，保护电路的电流导通能力上升。 在MIT后，比包括绝缘体结构的典型非均匀导电层，依照本发明实施例的 导电层能够导通更大的电流。因为依照本发明实施例的导电层为均匀导体， 与非均匀导电层相比，电流增加到较大的程度。与其它导电层相比，导电 层的分割区域的适当的并联连接允许大得多的电流流动。
依照本发明的实施例，基于突变MIT装置使用至少一个导电层，所述 导电层具有可以在MIT后完全转变为金属层的区域。因此，可以减少由于 热量造成的导电层的恶化，该热量通常由流过该导电层的大电流量产生。
此外，并联连接多个导电层允许适当调整流过导电层的电流量。
虽然参考其示范性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技 术人员可以理解在不脱离由所附权利要求界定的本发明的精神和范围的情 况下，可以在其中进行各种形式和细节的变化。
权利要求
1.一种突变MIT(金属-绝缘体转变)装置，包括至少一个导电层，其具有允许所述导电层的整个区域由于MIT而转变为金属层的宽度。
2. 权利要求1所述的突变MIT装置，还包括 设置于衬底特定区域的第一电极；和 设置于与所述第一电极分开预定距离的第二电极； 其中所述导电层电连接所述第一电极和所述第二电极。
3. 权利要求2所述的突变MIT装置，其中所述第一电极和所述第二电 极彼此分开预订的距离，并且部分覆盖所述MIT绝缘体的第一和第二两个 面。
4. 权利要求2所述的突变MIT装置，其中所述MIT绝缘体设置于所 述第一电极和所述第二电极之间，并且所述第一电极和所述第二电极完全 覆盖所述MIT绝缘体的第一和第二两个面。
5. 权利要求1所述的突变MIT装置，其中如果所述导电层实现为多个 导电层，所述多个导电层并行连接。
6. 权利要求1所述的突变MIT装置，其中所述导电层包括选自由无机 化合物半导体和绝缘体、有机半导体和绝缘体、半导体、氧化物基半导体 和绝缘体构成的组的一种，其中所述无机化合物半导体包括选自由氧、碳、来自m到v族或n到iv族中的半导电性元素、过渡金属元素、稀土元素、镧基元素构成的组的一种，具有低掺杂密度的空穴添加到所述无机化合物 半导体和绝缘体；具有低掺杂密度的空穴添加到所述有机半导体和绝缘体、 所述半导体、和所述氧化物基半导体和绝缘体。
7. 权利要求1所述的突变MIT装置，其中电流均匀地流到所述导电层 的整个区域。
8. 权利要求2所述的突变MIT装置，其中所述第一电极和第二电极的 每个包括选自由金属族、选自所述金属族的金属化合物、以及包括来自所 述金属族一种金属和所迷化合物的氧化物基材料构成的组的一种，其中所 述金属族包括Li、 Be、 C、 Na、 Mg、 Al、 K、 Ca、 Sc、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Ga、 Rb、 Sr、 Y、 Zr、 Nb、 Mo、 Tc、 Ru、 Rh、 Pd、Ag、 Cd、 In、 Sn、 Sb、 Cs、 Ba、 La、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Os、 Ir、 Pt、 Au、 Hg、 Pb、 Bi、 Po、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu、 Th、 U、 Np和Pu。
9. 权利要求2所述的突变MIT装置，还包括保护电极，其设置于所述 导电层和所述第一电极之间、所述导电层和所述第二电极之间，抵抗由流 过所述超导层的电流产生的热量。
10. 权利要求9所述的突变MIT装置，其中所述保护电极包括选自由 金属族、选自金属族的金属的化合物、以及包括来自所述金属族的一种金 属和所述化合物的氧化物基材料构成的组的一种，其中所述金属族包括Li、 Be、 C、 Na、 Mg、 Al、 K、 Ca、 Sc、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Ga、 Rb、 Sr、 Y、 Zr、 Nb、 Mo、 Tc、 Ru、 Rh、 Pd、 Ag、 Cd、 In、 Sn、 Sb、 Cs、 Ba、 La、 Hf、 Ta、 W、 Re、 Os、 Ir、 Pt、 Au、 Hg、 Pb、 Bi、 Po、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu、 Th、 U、 Np和Pu。
11. 权利要求2所述的突变MIT装置，还包括配置延伸跨过所述导电 层特定区域的栅电极，且夹置于所述导电层和所述栅电极之间的栅绝缘层。
12. 权利要求11所述的突变MIT装置，其中所述4册绝缘层覆盖所述导 电层的至少一个表面区域。
13. 权利要求11所述的突变MIT装置，还包括配置延伸3争过所述导电 层特定区域的第三电极，和夹置于所述导电层和所述第三电极之间的栅绝 缘层。
14. 权利要求11所述的突变MIT装置，还包括配置延伸跨过所述导电 层的第三电极，和夹置于所述导电层和所述村底之间的栅绝缘层。
15. 权利要求11所述的突变MIT装置，还包括配置延伸跨过所述导电 层的第三电极，和夹置于所述导电层和所述衬底之间的栅绝缘层，其中所 迷导电层覆盖所述第一电极和所述第二电极之间的整个区域。
16. 权利要求2所述的突变MIT装置，其中所述导电层、所述第一电 极和所述第二电极被配置以成为保护电路的部分，并且所述突变MIT装置 还包括与所述保护电路并联连接的电子系统。
17. 权利要求16所述的突变MIT装置，其中因为所述突变MIT，所述 保护电踪4义担了大部分的所述电流。
18.权利要求16所述的突变MIT装置，其中通过使得所述电流的大部 分传导通过所述保护电路，从而保护了所述电子系统。
全文摘要
提供一种具有并联导电层的突变MIT(金属-绝缘体转变)装置。所述突变MIT装置包括设置于衬底特定区域的第一电极、设置于与所述第一电极分开预定距离的第二电极，和至少一个导电层，其电连接所述第一电极和所述第二电极，并且具有允许所述导电层的整个区域由于MIT而转变为金属层的宽度。因为这样的布局，减少了通常由于流过所述导电层的电流引起的导电层恶化的可能性。
文档编号H01L29/768GK101410984SQ200780010619
公开日2009年4月15日 申请日期2007年1月31日 优先权日2006年2月1日
发明者姜光镛, 尹善真, 李镕旭, 蔡秉圭, 金俸准, 金铉卓 申请人:韩国电子通信研究院