MIS隧道结器件

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第239页（4192字）

由金属(M)、超薄(UT)绝缘体(Ⅰ)和半导体衬底(S)组成的一种器件。

因其绝缘层非常薄(1．4～5nm)而具有载流子隧道效应故称为隧道结。如以重掺杂简并半导体(如n⁺多晶硅)代替其中的金属，则构成半导体(简并)／绝缘体／半导体(即SIS)隧道结。MIS隧道结和SIS隧道结统称为CIS隧道结。用MIS隧道结代替常规掺杂PN结制作的器件称为MIS隧道结器件。

从学术价值方面看，对MIS隧道结的研究有助于深入了解从肖特基势垒如何过渡到厚氧化物MOS结构，以及超薄介质膜的隧穿效应；从实用方面看利用MIS隧道结本身的特点可以研制成具有一定特色的半导体器件而适应国民经济和国防建设的需要。

MIS隧道结器件的发展大体可以分成两个阶段：(1)从1973～1980年左右，这一阶段主要是建立了MIS隧道结的物理模型、对MIS隧道结基本特性的研究和对MIS隧道结的初步开发应用；(2)从1980年左右到现在，此阶段是MIS隧道结器件全面发展的时期，各种不同的MIS隧道结器件被研制成功并开始开发应用。

MIS隧道结因流过其超薄绝缘层中电流不同而可分成两种。如果流过绝缘层的主要电流成分的载流子与衬底的少数载流子(如P型硅中的电子即为少数载流子)相同则称此结为少子MIS隧道结；如果与衬底的多数载流子相同则称为多子MIS隧道结。

例如Al／UTsiO₂／p－Si结为少子MIS隧道结，Au／UTSiO₂／pSi结为多子MIS隧道结。

1974年格林(M．A．Green)等从MIS结构的能带图出发，考虑了MIS隧道结的半导体区、超薄绝缘层中的隧道电流、界面陷阱对电流的贡献和电压关系4个方面，建立起一组非线性微分方程。利用计算机通过叠代技术求出其数值解，进而求出其电流一电压(Ⅰ－Ⅴ)特性和电容一电压(C－V)特性。通过计算得到两个重要的结果：1．当绝缘层非常薄而正向偏压较小时，少子MIS隧道结的Ⅰ－Ⅴ特性与理想P－N结的Ⅰ－Ⅴ特性非常相似。

这时，少子MIS隧道结完全可以代替掺杂P－N结而制作半导体器件。另一方面少子MIS隧道结与掺杂结相比又具有其本身的特点，这些特点是：非常高的少子注入效率；结深非常浅；不存在重掺杂效应；在低温下无载流子冻析效应。利用这些特点可以研制成具有一定特色的半导体器件。

2．虽然多子MIS隧道结的Ⅰ－Ⅴ特性在正反两个方向比较对称，然而它却存在多子倍增效应。例如将低功函数金属与N型硅衬底形成的多子MIS隧道结处于反向偏置，当界面无少子注入时，结上的电压降主要体现在表面电势V_s上，超薄氧化物上的电压降V_ox很小，半导体表面处的导带底高于金属中费米能级很多，故流过Ⅰ层的多子(电子)隧道电流很小。但当界面处有少子空穴注入时，空穴集聚界面形成反型层，使氧化物上电压降V_ox增大，进而使半导体导带底下降和V_s减小，这将引起多子隧道电流的增大此即MIS隧道结的多子倍增效应。利用多子倍增效应可制成特殊的放大器件。

在完成MIS隧道的物理模型和研究了MIS隧道结的基本电学特性后，格林等随即将少子MIS隧道结特性用于研制MIS硅太阳电池。

1913年，朱纯(J．Shewchun)等将多子MIS隧道结的多子倍增效应用于研制表面氧化物晶体管(SOT)，使两种器件都取得较好的效果。

在1980年以后，MIS隧道结器件得到全面发展，各种MIS隧道结器件相继出现，MIS太阳电池的转换效率也不断提高。现将主要的几种MIS隧道结器件分别介绍如下。

MIS太阳电池 MIS太阳电池是由一大面积的少子MIS隧道结代替常规掺杂P－N结构成的光电转换器件。

为了使光透过，可选用透明金属膜结构或细栅金属条结构，为收集更多的光，在M层上还需沉积一层抗反射膜。与常规掺杂结电池相比，它具有工艺程序简单(无高温工艺)、对紫光响应强、适宜多晶材料、转换效率高等特点。1984年，格林等研制的MIS太阳电池首先将效率提到高于18%。

MIS隧道结发射极晶体管 也称为MIS异质结发射极晶体管，它是用少子MIS隧道结代替常规P－N结作为发射极的双极晶体管，器件的集电结仍由扩散结担任。

MIS隧道结发射极晶体管从结构上可分成台面型、平面型两种，从功能上可分成超高电流增益型和超低h_FE温度系数型两种。超高电流增益型在设计时充分发挥了少子MIS隧道结少子注入效率非常高的特点，1986年，法希(M．Farshi)，郭维廉用这种结构研制出电流增益h_FE达到3万的双极晶体管，超低hFE温度系数型设计时充分利用了此结无重掺杂效应的特点，曾研制出从－55～100℃，h_FE温度系数为12．8%的晶体管。

横向MIS隧道结晶体管 此种器件是一种发射结和集电结都由MIS隧道结构成的横向双极晶体管，基区由衬底构成。因其工作原理的不同又分为成多子倍增型和少子注入型两种。

在少子注入型中，发射结注入至基区中的电子沿横向扩散到加反偏的集电结完成放大作用。

1989年，郭维廉等所研制的此种器件最高的h_FE达到842，而且具有数值很小的负hFE温度系数。在多子倍增型(N型衬底)中发射结向集电结注入少子空穴，空穴达到反向偏置的集电结时，通过前边所述的多子倍增效应使通过电极的多子(电子)电流增大而起放大作用，h_FE可达到22。

MIS隧道结源漏MOS晶体管 由少子MIS隧道结代替掺杂结作为源和漏制成的MOS晶体管。

1986年，由法希等首次研制成功。除了具有常规MOS管的电学特性外，还由于其结深非常浅(约为0．02μm)而具有很强的抗短沟道效应的能力。

MIS隧道结双极反型沟道场效应晶体管 也称为BICFET，它是由西蒙(J．G．Simmons)等于1985年提出而由法希等于1986年首次研制的。其结构和工作原理类似于多子倍增型横向MIS隧道结晶体管，所不同的是在BICFET中用一个扩散P+－N结来代替多子倍增型MIS横向晶体管中的MIS隧道发射结向集电结注入少子空穴。

从另一个不同的角度看，它相当于一个以p型反型层作为基区的纵向NpN型双极管。由于其基区极薄故预计有极高的频率响应和电流增益，但目前研制结果和理论预计相差很远。

MIS隧道结开关器件 1977年，由西蒙等人提出，其结构为M／UTI／n－Si／p⁺－Si。即一个n型衬底多子MIS隧道结与一个n－P⁺掺杂结组合而成，它具有电流开关型(即“S”型)负阻特性。

与传统的开关器件相比，它具有很高的开关速度、与典型的IC工艺相容、可实现光注入和电注入两种注入模式等特点。

MIS隧道结氢敏器件 是金属钯(Pd)、超薄SiO₂与n型Si衬底组成的一种少子MIS隧道结。氢气被Pd吸附后，扩散到Pd／UTSiO₂的界面改变了Pd的功函数进而改变流过结的电流以检测氢气的含量。例如1981年，由罗兹(P．F．Ruths)等研制的氢敏器件，对154ppm的氢可使反向隧道电流改变3个数量级，因而它是一种高灵敏度的氢敏器件。

MIS隧道结器件的长期使用寿命是早期被人们关注的一个问题。但经郭维廉等于1988年测得结果证实：Al－Ti／UTSiO₂／p-Si结的发射极晶体管，如果结温80℃，则其失效中位寿命可达到300a，何况实际结温一般都低于80℃，故其长期使用不会成为问题。

综上所述，MIS隧道结器件发挥其固有的特点，在某几个方面形成具有一定特色的半导体器件，以弥补常规器件这些领域的不足。

MIS隧道结器件目前尚有待进一步研究的问题有以下几点：(1)少子MIS隧道结，由于其反型层极薄，故结的串联电阻较大。

应进一步研究设法尽量减小其串联电阻；(2)通过改变UTI材料进一步改善和延长其使用寿命；(3)利用MIS隧道结研制和开发新的MIS隧道结器件，扩展MIS隧道结的应用前景。

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【参考文献】：

1 Green M A,et al. Solid -State Electronics,1974,17:551

2 Simmons J G,et al. Solid-State Electronics, 1977,20:955～ 961

3 Ruths P F,et al. IEEE Trans. Electron Devices, 1985, 28: 1003～1009

4 Farshi M, Guo W L, Green M A. IEEE Electron Device Letters, 1986,7:632

5 Farshi M, et al. IEEE Electron Device Letters, 1986,7:513

6 Farshi M, et al. IEEE Electron Device Letters ,1986,7:474

7 Guo W L, Farshi M, Green M A. Solid -state Electronics.

(天津大学电子系郭维廉教授撰；万良风审)