采用突变金属绝缘体转变半导体材料的二端子半导体器件.pdf

提供一种使用突变MIT半导体材料层的二端子半导体器件。该二端子半导体器件包括：第一电极层，设置在该第一电极层上并具有小于2eV的能隙以及位于空穴能级的空穴的突变MIT半导体有机或者无机材料层，以及设置在该突变MIT半导体有机或无机材料层上的第二电极层。通过在第一电极层和第二电极层之间施加场，在该突变MIT半导体材料层中产生突变MIT。

1.  一种二端子半导体器件，包括：
作为衬底的第一电极层；
设置在所述第一电极上的、具有小于2eV的能隙以及位于空穴能级中的空穴、利用空穴掺杂效应的突变金属-绝缘体转变半导体有机或者无机材料层；以及
设置在所述突变金属-绝缘体转变半导体有机或者无机材料层上的第二电极层，
所述二端子半导体器件是开关器件。

2.  权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层包括加入了低浓度空穴的Si、Ge、Al、As、Sb、B、N、Ga、P、In、Te、Ag、Cd、Zn、Pb、S、Bi、K、H、Be、O或者C的p型元素半导体或者由这些元素组成的p型化合物半导体。

3.  权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层包括加入了低浓度空穴的由Y、Pr、Ba、Cu、La、Sr、Ti、V、Ca、Fe、W、Mo、Nb、Al、Hf、Ta、Zr、La、Bi、Pd或者O组成的p型氧化物半导体。

4.  权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层包括加入低浓度空穴的由Fe、S、Sm、Se、Te、Eu、Si、Mn、Co、B、H、Li、Ca、Y、Ru、Os、P、As、P、Ir、Ti、Zr、Hf、Mo、Te、Tc、Re、Rh、Pt、Yb、B、O或者C组成的p型化合物半导体。

5.  权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层包括：
无机半导体，包括：加入低浓度空穴的p型元素半导体、加入低浓度空穴的不含过渡金属元素的p型化合物半导体、加入低浓度空穴的p型氧化物半导体、加入低浓度空穴的包含过渡金属元素的p型化合物半导体；或者
加入低浓度空穴的p型有机半导体。

6.  权利要求5的二端子半导体器件，其中：
所述加入低浓度空穴的p型元素半导体包括：Si(100)；Si(111)；Si(110)；Ge(100)；灰Sn；灰Se；Sb；Te；B；类金刚石无定形碳或者类金刚石碳，和
所述加入低浓度空穴的不含过渡金属元素的p型化合物半导体包括：Si:B；Si:P；SiC；SiGe；AlAs；InAlAs；AlSb；BN；GaAs；InGaAs；GaP；GaSb；0≤x≤0.5的Ga_xSb_1-x；0≤x≤0.2的Ge_xSb_1-x；InN；InAs；InP；InSb；0≤x≤0.5的In_xSb_1-x；0≤a≤0.2、0≤b≤0.2、0.5≤c≤1且0≤d≤0.5的Ge_aIn_bSb_cTe_d；0≤x≤0.2、0.5≤y≤1且0≤z≤0.3的In_xSb_yTe_z；GeCdS；CdSe；CdTe；ZnS；ZnSe；ZnTe；PbS；PbSe；PbTe；0≤x≤0.5的Sb_1-xTe_x；四面体无定形碳：N；无定形氢化碳层；K₄C₆₀；K₆C₆₀；Ga-As-Si系；Ga-GaAs-Ge系；Ga-GaAs-Sn；Ga-As-Sn系；Ga-As-Zn系；Ga-P-Si系；Ga-P-Zn系；Ga-P-Ge系；GaP-Bi系；GeTe-Bi₂Te₃；GeSb₂Te₄；GaP:N；GaAs:Ca；GaAs:K；GaAs:Cl；GeBi₂Te₄；加9％H的B；加11％H的B；加24％H的B；LiAlB₁₄；CaB₆；a-AlB₁₂或者BC。

7.  权利要求5的二端子半导体器件，其中所述加入低浓度空穴的p型氧化物半导体包括Y_1-xPr_xBa₂Cu₃O₇、La_2-xSr_xCuO₄、La_2-xBa_xCuO₄、La_1-xSrTiO₃、VO₂、Ca_xV_1-xO₂、Al_xV_1-xO₂、Ti_xV_1-xO₂、Fe_xV_1-xO₂、W_xV_1-xO₂、Mo_xV_1-xO₂、Fe₃O₄、Nb₂O₅、WO₃、Ti₂O₃、PdO、Al₂O₃、HfO₂、SiO₂、Y₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂或者ZrO₂，其中0≤x≤1。

8.  权利要求5的二端子半导体器件，其中加入低浓度空穴的包含过渡金属元素的p型化合物半导体包括0≤x≤0.5的Fe_1-xS；SmS；SmSe；SmTe；Eu₃S₄；FeSi₂；0≤x≤0.5的Fe_1-xMn_xSi₂；0≤x≤0.5的Fe_1-xCo_xSi₂；CuB₄；YB₆₆；SmB₆₆；Mn₁₁Si₁₉；Mn₂₆Si₄₅；Mn₁₅Si₂₆；Ru₂Si₃；Fe₂Si₂；RuP₂；RuPAs；RuAs₂；OsP₂；OsAs₂；RhP₂；RhAs₂；IrP₂；IrAs₂；RuP₄；FeAs；RuAsS；OsPS；OsAsS；OsPSe；0≤x≤0.5的Ti_1+xS₂；0≤x≤0.5的TiS_3-x；0.01≤x≤0.1的Zr_1+xSe₂；Zr₂S₃；ZrSe₃；HfSe₂；MoS₂；0.01≤x≤0.1的2H-MoTe_2-x；2H-WSe₂；MnTe；TcS₂；TcSe₂；ReS₂；ReSe₂；FeS₂；RuS₂；RuSe₂；RhS₃；RhSe₂；RhSe₃；IrS₂；IrSe₂；PtS；0.9≤x≤1的Pt_xS₂；SmTe；EuTe；YbSe；YbTe；0≤a≤0.2、0≤b≤0.2、0.5≤c≤1且0≤d≤0.5的Ag_aIn_bSb_cTe_d；0.5≤a≤1、0≤b≤0.2、0≤c≤0.3且0≤d≤0.5的Te_aGe_bSn_cAu_d；AgSbTe₂或者AgInTe₂。

9.  权利要求5的二端子半导体器件，其中加入低浓度空穴的所述p型有机半导体为D⁺A^-型，其中D⁺为有机施主并且A^-为有机受主。

10.  权利要求9的二端子半导体器件，其中所述D⁺A^-型包括D⁺A^-＝TTF+Br、D⁺A^-＝BEDT-TTF或者D⁺A^-＝TMPD+TCNQ，其中TTF为四硫代富瓦烯，BEDT-TTF是二乙烯二硫代-四硫代富瓦烯，TMPQ是N，N，N′，N′-四甲基-p-苯二胺，并且TCNQ是四氰代对苯醌二甲烷并通过注入空穴在TCNQ-和TCNQ之间转换。

11.  权利要求9的二端子半导体器件，其中所述p型有机半导体包括并五苯及其衍生物、噻吩以及噻吩低聚物、苯并二硫代苯二聚物、酞菁，聚烷基噻吩、聚3己基噻吩、聚3辛基噻吩、聚3十二基噻吩、蒽二噻吩、己二基蒽二噻吩、双十二基蒽二噻吩、包括双十八烷基蒽二噻吩的噻吩衍生物、或者芳香化合物。

12.  权利要求1的二端子半导体器件，其中所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层包括具有高电阻值的n型半导体材料。

13.  权利要求1的二端子半导体器件，其中所述第一电极层和所述第二电极层包括W、Mo、Au/Cr、TiW、Ti/Al/N、Ni/Cr、Al/Au、Pt、Cr/Mo/Au、YBa₂Cu₃O_7-d或者Ni/Mo/Au。

14.  权利要求1的二端子半导体器件，还包括连接到所述第一电极层和所述第二电极层中至少一个上的电阻单元。

15.  一种二端子半导体器件，包括：
衬底；
设置在该衬底上的第一电极层；
设置在所述第一电极层上的、具有小于2eV的能隙以及位于空穴能级中的空穴、利用空穴掺杂效应的突变金属-绝缘体转变半导体材料层；以及
设置在该突变金属-绝缘体转变半导体材料层上的第二电极层，
所述二端子半导体器件是开关器件。

16.  权利要求15的二端子半导体器件，其中该衬底包括绝缘体上硅衬底、Si、SiO₂、GaAs、InP、GaSb、Al₃O₄、塑料、玻璃、V₂O₅、PrBa₂Cu₃O₇、YBa₂Cu₃O₇、MgO、SrTiO₃、LiNbO₃或者掺杂Nb的SrTiO₃。

17.  权利要求15的二端子半导体器件，还包括设置在所述衬底和所述第一电极层之间的缓冲层。

18.  权利要求17的二端子半导体器件，其中所述缓冲层包括SiO₂层或者Si₃N₄层。

19.  权利要求15的二端子半导体器件，还包括连接到所述第一电极层和所述第二电极层的至少一个上的电阻单元。

20.  一种二端子半导体器件，包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一电极层；
设置在所述第一电极层上的、具有小于2eV的能隙以及位于空穴能级中的空穴、利用空穴掺杂效应的突变金属-绝缘体转变半导体材料层；
设置在该突变金属-绝缘体转变半导体材料层上的第二电极层；以及
设置在该突变金属-绝缘体转变半导体材料层的两表面的至少一个表面上的栅绝缘层，
所述二端子半导体器件是开关器件。

21.  一种二端子半导体器件，包括：
衬底；
设置在该衬底上的第一电极层；
设置在所述第一电极层上的、具有小于2eV的能隙以及位于空穴能级的空穴、利用空穴掺杂效应的突变金属-绝缘体转变半导体材料层；
设置在该突变金属-绝缘体转变半导体材料层上的第二电极层；以及
设置在该突变金属-绝缘体转变半导体材料层的两表面的至少一个表面上的铁磁薄层，
所述二端子半导体器件是开关器件。

22.  一种二端子半导体器件，包括：
衬底；
在所述衬底上的、具有小于2eV的能隙以及位于空穴能级的空穴、利用空穴掺杂效应的突变金属-绝缘体转变半导体材料层；
在所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层上隔开并彼此相对设置的第一电极层和第二电极层；以及
设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间的、所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层上的铁磁薄层，
所述二端子半导体器件是开关器件。

23.  一种制造二端子半导体器件的方法，包括：
在衬底上形成第一电极层；
形成设置在所述第一电极层上的、具有小于2eV的能隙以及位于空穴能级的空穴、利用空穴掺杂效应的突变金属-绝缘体转变半导体材料层；以及
在所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层上形成第二电极层，
所述二端子半导体器件是开关器件。

24.  权利要求23的方法，其中所述第一电极层和第二电极层的形成通过溅射法进行。

25.  权利要求23的方法，其中所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层的形成通过采用脉冲激光法进行。

26.  权利要求23的方法，其中所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层的形成通过采用分子束外延法进行。

27.  权利要求23的方法，还包括在形成所述突变金属-绝缘体转变半导体材料层之前在所述衬底上形成缓冲层。

28.  权利要求1的二端子半导体器件，其中当照射激光到所述突变金属-绝缘体转变半导体有机或者无机材料层时在所述二端子半导体器件中产生光电流。

29.  权利要求1的二端子半导体器件，其中所述二端子半导体器件在产生突变金属-绝缘体转变之后发光。

采用突变金属-绝缘体转变半导体材料的二端子半导体器件
本申请是申请日为2004年12月20日且发明名称为“采用突变金属-绝缘体转变半导体材料的二端子半导体器件”的中国专利申请No.200410103374.2的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，并且特别涉及一种采用突变金属-绝缘体转变(metal-insulator transition，MIT)半导体材料的二端子半导体器件及其制造方法。
背景技术
近来，采用结构相变材料的存储器已经引起了人们的注意并且关于该存储器的研发已经积极进行着。采用结构相材料的存储器的例子已经公开在美国专利No.5,687,112中。所公开的存储器是使用结晶相和在高温下出现的无定形相的相变存储器(phase change memory，PCM)。该装置可用作存储器，这是因为它能够利用按照结构相变的相改变。然而，该装置不能用于其他用途，如开关器件，这是因为由于按照结构相变的原子的位置改变不能实现快速的开关速度。如果要求快速的开关速度，那么该存储器由于滞后现象可能会损坏。相变存储器的缺点是其应用受到限制。
另一方面，连续的金属-绝缘体晶体管，即，使用了处于允许第二转变的绝缘体中的Mott-Hubbard绝缘体的Mott-Hubbard场效应晶体管，已经作为利用金属-绝缘体转变的半导体器件提出。Mott-Hubbard场效应晶体管已经由D.M.Newns、J.A.Misewich、C.C.Tsuei、A.Gupta、B.A.Scott和A.Schrott公开在Appl.Phys.Lett.73(1998)780中。Mott-Hubbard场效应晶体管根据金属-绝缘体转变实现ON/OFF操作。与传统的MOS场效应晶体管不同，该晶体管的集成密度能显著改进，这是因为不存在耗尽层。同样，与MOS场效应晶体管相比，Mott-Hubbard场效应晶体管具有更高速度的开关特性。然而，必须加入用于载流子的电荷直到Mott-Hubbard场效应晶体管达到金属特性为止，这是因为Mott-Hubbard场效应晶体管使用连续发生的MIT。因此，所加入的电荷必须具有高浓度，并且栅绝缘层的介电常数必须高，栅绝缘层的厚度必须薄，并且所施加的栅电压必须大于所加入电荷的高浓度。然而，如果介电常数太高，由于电介质的疲劳特性可在高开关速度下劣化，因此晶体管的寿命降低。存在制作薄绝缘体的工艺限制。而且，当栅电压太高时，存在功耗高的缺点。
为了解决这些问题，采用非连续转变的突变MIT半导体材料的开关场效应晶体管已经公开在美国专利No.6624463中。该突变MIT半导体材料具有一种特性，即：通过加入低浓度空穴到Mott-Brinkman-Rice绝缘体中，从绝缘体到金属的转变快速而非连续地发生。该空穴驱动金属-绝缘体转变理论已经公开在由Hyun-Tak Kim发表在北约科学丛刊(NATO Science Series)Vol II/67(Kluwer，2002)pp.137以及网址http://xxx.lanl.gow/abs/cond-mat/0110112的文章“超导电性的新趋势(New Trendin Superconductivity)”中。Hyun-Tak Kim、Byung-Gyu Chae、Doo-Hyeb Youn、Sung-Lyul Maeng、Gyungock Kim、Kwang-Yong Kang以及Yong-Sik Lim在新物理杂志(New Journal of Physics)6(2004)52中还已经公开了关于采用二氧化钒(VO₂)的突变MIT的研究，其中二氧化钒是代表性的Mott-Brinkman-Rice绝缘体。使用连续金属-绝缘体转变材料的场效应晶体管的问题在开关场效应晶体管中解决了，这是因为所加入的空穴浓度非常低。然而，突变MIT半导体材料的可用性受到限制，并且形成突变MIT半导体材料层的成本高。
发明内容
本发明提供了一种二端子半导体器件，其采用容易以低成本形成的突变MIT半导体材料(abrupt MIT semiconductor material)而不产生结构相变。
本发明还提供一种制造采用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件的方法。
本发明中的半导体是具有小于2eV的能隙以及空穴能级或者电子能级并且低温下用作绝缘体的材料。空穴能级表示该材料具有空穴，电子能级表示该材料具有电子，并且该材料包括有机和无机材料。
根据本发明的一方面，提供一种二端子半导体器件，其包括：作为衬底的第一电极层，设置在该第一电极上的突变MIT有机或无机半导体材料层，以及设置在该突变MIT有机或无机半导体材料层上的第二电极层。
该突变MIT半导体材料层可包括加入低浓度空穴的Si、Ge、Al、As、Sb、B、N、Ga、P、In、Te、Ag、Cd、Zn、Pb、S、Bi、K、H、Be、O或者C的单个p型半导体或者由这些元素组成的化合物半导体。
该突变MIT半导体材料层可包括加入低浓度空穴的Y、Pr、Ba、Cu、La、Sr、Ti、V、Ca、Fe、W、Mo、Nb、Al、Hf、Ta、Zr、La、Bi、Pd或者O的单个p型半导体或者由这些元素组成的化合物半导体。
该突变MIT半导体材料可包括加入低浓度空穴的Fe、S、Sm、Se、Te、Eu、Si、Mn、Co、B、H、Li、Ca、Y、Ru、Os、P、As、P、Ir、Ti、Zr、Hf、Mo、Te、Tc、Re、Rh、Pt、Yb、B、O或者C、过渡元素、土族元素、以及镧系元素的单个p型半导体或者由这些元素组成的化合物半导体。
该突变MIT半导体材料层可包括：无机化合物半导体，包括：加入低浓度空穴的p型半导体，加入低浓度空穴的p型氧化物半导体，加入低浓度空穴的p型半导体元素(III-V以及II-VI族)，过渡金属元素，稀土元素，镧系元素；加入低浓度空穴的p型有机半导体；以及绝缘体。
加入低浓度空穴的p型半导体可包括Si(100)、Si(111)、Si(110)、Si:B、Si:P、Ge(100)、SiC、SiGe、AlAs、InAlAs、AlSb、BN、GaAs、InGaAs、GaP、GaSb、Ga_xSb_1-x(0≤x≤0.5)、Ge_xSb_1-x(0≤x≤0.2)、InN、InAs、InP、InSb、In_xSb_1-x(0≤x≤0.5)、Ge_aIn_bSb_cTe_d(0≤a≤0.2，0≤b≤0.2，0.5≤c≤1，0≤d≤0.5)、In_xSb_yTe_z(0≤x≤0.2，0.5≤y≤1，0≤z≤0.3)、Ag_aIn_bSb_cTe_d(0≤a≤0.2，0≤b≤0.2，0.5≤c≤1，0≤d≤0.5)、Te_aGe_bSn_cAu_d(0.5≤a≤1，0≤b≤0.2，0≤c≤0.3，0≤d≤0.5)、AgSbTe₂、AgInTe₂、GeCdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、PbS、PbSe、PbTe、灰Sn、灰Se、Sb、Te、Sb_1-xTe_x(0≤x≤0.5)、B、DAC(类金刚石无定形碳)、TAC(四面体无定形碳):N、a-C；H(无定形氢化碳层)、或者DLC(类金刚石碳)、K₄C₆₀、K₆C₆₀、Ga-As-Si系、Ga-GaAs-Ge系、Ga-GaAs-Sn、Ga-As-Sn系、Ga-As-Zn系、Ga-P-Si系、Ga-P-Zn系、Ga-P-Ge系、GaP-Bi系、GeTe-Bi₂Te₃、GeSb₂Te₄、GaP:N、GaAs:Ca、GaAs:K、GaAs:Cl或者GeBi₂Te₄。
加入低浓度空穴的p型氧化物半导体可包括Y_1-xPr_xBa₂Cu₃O₇(0≤x≤1)、La_2-xSr_xCuO₄(0≤x≤1)、La_2-xBa_xCuO₄(0≤x≤1)、Ba_1-xSrTiO₃(0≤x≤1)、La_1-xSrTiO₃(0≤x≤1)、VO₂、V₂O₃、Ca_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Al_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Ti_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Fe_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、W_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Mo_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Fe₃O₄、Nb₂O₅、WO₃、Ti₂O₃、PdO、Al₂O₃、HfO₂、SiO₂、Y₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂或者ZrO₂。
加入低浓度空穴的p型过渡金属以及包括该过渡金属的半导体可包括Fe_1-xS(0≤x≤0.5)、SmS、SmSe、SmTe、Eu₃S₄、FeSi₂、Fe_1-xMn_xSi₂(0≤x≤0.5)、Fe_1-xCo_xSi₂(0≤x≤0.5)、B:H(9％)、B:H(11％)、B:H(24％)、LiAlBl₄、CuB₄、CaB₆、a-AlB1₂、YB₆₆、SmB₆₆、Mn₁₁Si₁₉、Mn₂₆Si₄₅、Mn₁₅Si₂₆、Ru₂Si₃、Fe₂Si₂、RuP₂、RuPAs、RuAs₂、OsP₂、OsAs₂、RhP₂、RhAs₂、IrP₂、IrAs₂、RuP₄、FeAs、RuAsS、OsPS、OsAsS、OsPSe、Ti_1+xS₂(0≤x≤0.5)、TiS_3-x(0≤x≤0.5)、Zr_1+xSe₂(0.01≤x≤0.1)、Zr₂S₃、ZrSe₃、HfSe₂、MoS₂、2H-MoTe_2-x(0.01≤x≤0.1)、2H-WSe₂、MnTe、TcS₂、TcSe₂、ReS₂、ReSe₂、FeS₂、RuS₂、RuSe₂、RhS₃、RhSe₂、RhSe₃、IrS₂、IrSe₂、PtS、Pt_xS₂(0.9≤x≤1)、SmTe、EuTe、YbSe、YbTe或者BC。
加入低浓度空穴的p型有机半导体可为D⁺A^-型，其中D⁺为有机施主并且A^-为有机受主。
此时，D⁺A^-型可包括  D⁺A^-＝TTF+Br、D⁺A^-＝BEDT-TTF或者D′A^-＝TMPD+TCNQ，其中TTF为四硫代富瓦烯，BEDT-TTF是二乙烯二硫代-四硫代富瓦烯，TMPQ是N，N，N′，N′-四甲基-p-苯二胺，并且TCNQ是四氰代对苯醌二甲烷。而且，TCNQ是通过注入空穴在TCNQ-和TCNQ之间转换的活性成分。
同样，p型有机半导体包括：并五苯和其衍生物，噻吩以及噻吩低聚物，苯并二硫代苯二聚物，酞菁，聚(烷基噻吩)，聚(3己基噻吩)，聚(3辛基噻吩)，聚(3十二基噻吩)，蒽二噻吩(ADT)，己二基ADT，双十二基ADT，包括双十八烷基ADT的噻吩衍生物或者芳香化合物。
第一和第二电极层可包括：W，Mo，Au/Cr，TiW，Ti/Al/N，Ni/Cr，Al/Au，Pt，Cr/Mo/Au，YBa₂Cu₃O_7-d，或者Ni/Mo/Au。
该二端子半导体器件还可包括连接到第一电极层和第二电极层中的至少一个上的电阻单元。
根据本发明的另一方面，提供一种二端子半导体器件，包括：衬底，设置在该衬底上的第一电极层，设置在该第一电极层上的突变MIT半导体材料层，以及设置在该突变MIT半导体材料层上的第二电极层。
该衬底可包括：SOI(绝缘体上硅)，Si，SiO₂，GaAs，GaSb，InP，Al₃O₄，塑料，玻璃，V₂O₅，PrBa₂Cu₃O₇，YBa₂Cu₃O₇，MgO，SrTiO₃，掺杂Nb的SrTiO₃或者绝缘体。
还可包括设置在衬底和第一电极层之间的缓冲层。
此时，缓冲层可包括SiO₂层或者Si₃N₄层。
该二端子半导体器件还可包括连接到第一电极层和第二电极层中的至少一个上的电阻单元。
根据本发明的又一方面，提供一种二端子半导体器件，包括：衬底，设置在衬底上的第一电极层，设置在该第一电极层上的突变MIT半导体材料层，设置在该突变MIT半导体材料层上的第二电极层，设置在该突变MIT半导体材料层的两表面的至少一面上的栅绝缘层。
根据本发明的再一方面，提供一种二端子半导体器件，包括：衬底，设置在该衬底上的第一电极层，设置在该第一电极层上的突变MIT半导体材料层，设置在该突变MIT半导体材料层上的第二电极层，以及设置在该突变MIT半导体材料层的两表面的至少一个面上的铁磁薄层。
根据本发明的另一方面，提供一种二端子半导体器件，包括：衬底，设置在该衬底上的突变MIT半导体材料层，以及在该突变MIT半导体材料上彼此相对分开设置的第一电极层和第二电极层。
该二端子半导体器件还可包括设置在衬底和突变MIT半导体材料层之间的缓冲层。
该二端子半导体器件还可包括连接在第一电极层和第二电极层中的至少一个上的电阻单元。
第一电极层和第二电极层可以由手指形状形成。
根据本发明的另一方面，提供一种二端子半导体器件，包括：衬底，设置在该衬底上的突变MIT半导体材料层，在该突变MIT半导体材料层上设置并互相面对的第一电极层和第二电极层，以及设置在该第一电极层和第二电极层之间的、该突变MIT半导体材料层上的栅绝缘层。
根据本发明的另一方面，提供一种二端子半导体器件，包括：衬底，设置在该衬底上的突变MIT半导体材料层，在该突变MIT半导体材料层上彼此相对分开设置的第一电极层和第二电极层，以及设置在该第一电极层和第二电极层之间的、该突变MIT半导体材料层上的铁磁薄层。
根据本发明的另一方面，提供一种制造二端子半导体器件的方法，包括：在衬底上形成第一电极层，形成设置在该第一电极层上的突变MIT半导体材料层，以及在该突变MIT半导体材料层上形成第二电极层。
第一电极层和第二电极层的形成可通过溅射法实现。
突变MIT半导体材料层的形成可通过采用脉冲激光法实现。
突变MIT半导体材料层的形成可通过采用分子束外延法实现。
该方法还可包括在形成突变MIT半导体材料层前在衬底上形成缓冲层。
根据本发明的另一方面，提供一种制造二端子半导体器件的方法，包括：在衬底上形成突变MIT半导体材料层；在该突变MIT半导体材料层上形成金属层；以及通过将该金属层构图而露出突变MIT半导体材料层的一部分之后，形成彼此相对设置并且具有其间裸露面的第一电极层和第二电极层。
该方法还可包括在形成突变MIT半导体材料层之前在衬底上形成缓冲层。
附图说明
本发明的上述和其他特点及优点将通过参考附图详细描述其代表性实施例而更加明显，其中：
图1为示出根据本发明的实施例的、采用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件的剖视图；
图2为示出根据本发明的另一实施例的、采用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件的剖视图；
图3为包括根据本发明的采用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件的二端子网络电路图；
图4为示出在图1和2的突变MIT半导体材料中的空穴掺杂效应的图表；
图5为示出在图1和图2的突变MIT半导体材料中存在小于2eV的子能隙；
图6为用于解释根据图1和2的突变MIT半导体材料中的温度而改变载流子的图表；
图7为示出根据图1和2的突变MIT半导体材料中的温度而改变电阻值的图表；
图8为示出用于观察根据温度变化的材料结构改变的Raman散射测试结果；
图9为示出关于图1和图2的突变MIT半导体材料的、用于观察根据电流改变而出现的材料结构改变的微Raman散射测试结果；
图10为示出根据温度改变的图1和2的突变MIT半导体材料的电压-电流特性的图表；
图11为示出图3的二端子网络电路中电压-电流特性的图表；
图12为示出图1和图2的突变MIT半导体材料的金属状态的滞后特性的图表；
图13为示出在采用二氧化钒层作为突变MIT半导体材料的二端子半导体器件中的电压-电流特性的图表；
图14为示出在采用p型砷(As)化镓(Ga)作为突变MIT半导体材料的二端子半导体器件中的电压-电流特性的图表；
图15为示出在采用p型GaAs作为突变MIT半导体材料的二端子半导体器件中的电压-电流特性的图表；
图16为示出在采用p型GaAs作为突变MIT半导体材料的二端子半导体器件中根据温度变化而表现的电压-电流特性的图表；
图17为示出作为突变MIT半导体材料的p型GaAs的金属相滞后特性的图表；
图18(a)和18(b)分别为示出GaAs的导电性的温度依从关系和在其中添加了低浓度空穴的p型GaAs薄层的电阻的温度依从关系的图表；
图19为示出在采用p型GaAs作为突变MIT材料的二端子半导体器件中采用514.5nm的Ar离子激光所测量的光电流特性的图表；
图20为通过照射具有488nm的波长的Ar激光而从采用p型GaAs作为突变MIT半导体材料所制造的二端子半导体器件发射的荧光的强度和波长关系的图表；
图21为示出在采用p型GaAs作为突变MIT材料的二端子器件中通过流动电流来测量电压的电流控制法所测量的电流-电压特性的图表；
图22为示出图2中二端子半导体器件的电极形状的例子的透视图；及
图23A和23B分别为突变MIT半导体材料的透视图和示出根据图1和图2的突变MIT半导体材料的厚度变化而出现的长度与宽度的关系类型的图表。
具体实施方式
现在参考附图更加全面地描述本发明，其中示出了本发明的代表性实施例。然而，本发明可以多种不同的形式实施并且将不应被解释成局限于此处陈述的实施例。
图1为示出根据本发明的实施例采用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件100的剖视图。
参考图1，该二端子半导体器件100具有其中电流在垂直方向流动的堆叠结构，并且包括在衬底110上依次堆叠的缓冲层120、第一电极层141、突变MIT半导体材料层130和第二电极层142。在某些情况下，衬底110、缓冲层120和第一电极层141可以由单层形成。此时，没有衬底110和缓冲层120，第一电极层141作为衬底。同样，在某些情况下，栅绝缘层或者铁磁薄层可设置在突变MIT半导体材料层130的两个表面中的至少一个上。
用于形成衬底110的材料并没有特别的限制，并且可由Si、SiO₂、GaAs、Al₃O₄、塑料、玻璃、V₂O₅、PrBa₂Cu₃O₇、YBa₂Cu₃O₇、MgO、SrTiO₃、掺杂有Nb的SrTiO₃、或者绝缘体上硅(SOI)形成。缓冲层120设置在衬底110上，用于良好地生长第一电极层141，但某些情况下也可省略。缓冲层120由能控制衬底110和第一电极层141的晶格常数的材料形成，并且可由SiO₂层或者Si₃N₄层形成。
突变MIT半导体材料层130表示由半导体材料形成的薄层，其中当以低浓度加入空穴时会发生突变MIT。这里，考虑到Mott准则，该低空穴浓度n给定为接近(0.2/a_H)³，其中a_H为材料的玻尔半径。例如，具有0.6eV的能隙以及空穴能级的二氧化钒层VO₂的空穴浓度n近似为n≈0.0018％，即，n≈3×10¹⁸cm^-3。突变MIT半导体材料层130(如VO₂层)由具有小于2eV的能隙以及处于该空穴能级的空穴的材料形成。作为另一实施例，具有1.45eV的能隙以及空穴能级的p型GaAs的空穴浓度n近似为n≈0.001％，即，n≈1×10¹⁴cm^-3。加入低浓度空穴的空穴驱动金属-绝缘体转变理论已经公开在由Hyun-Tak Kim发表于北约科学丛刊(NATO Science Series)Vol II/67(Kluwer，2002)p137或者http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0110112里的文章“超导电性的新趋势(New Trends in Superconductivity)”中。所得的等式示于图4中。这里，空穴能级表示空穴存在于束缚态中的能级。具有高电阻值的n型半导体也可用作突变MIT半导体材料层130。
突变MIT半导体材料层130包括：加入了低浓度空穴的Si、Ge、Al、As、Sb、B、N、Ga、P、In、Te、Ag、Cd、Zn、Pb、S、Bi、K、H、Be、O或者C的单个元素的p型半导体，或者由这些元素组成的p型化合物半导体。突变MIT半导体材料层130还包括其中加入低浓度空穴的p型氧化物半导体，例如元素Y、Pr、Ba、Cu、La、Sr、Ti、V、Ca、Fe、W、Mo、Nb、Al、Hf、Ta、Zr、La、Pd、O以及这些元素组成的氧化物半导体，以及Fe、S、Sm、Se、Te、Eu、Si、Mn、Co、B、H、Li、Ca、Y、Ru、Os、P、As、P、Ir、Ti、Zr、Hf、Mo、Te、Tc、Re、Rh、Pt、Yb、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、O或者C元素、稀土元素、以及镧系元素或者由这些元素组成的化合物半导体。
当以不同的方式分类时，突变MIT半导体材料层130包括：无机化合物半导体，包括：加入低浓度空穴的p型半导体，加入低浓度空穴的p型氧化物半导体，加入低浓度空穴的p型半导体元素(III-V以及II-V族)、过渡金属元素、稀土元素以及镧系元素；或者加入低浓度空穴的p型有机半导体和绝缘体。
加入非常低浓度空穴的p型半导体包括Si(100)、Si(111)、Si(110)、Si:B、Si:P、Ge(100)、SiC、SiGe、AlAs、InAlAs、AlSb、BN、GaAs、InGaAs、GaP、GaSb、Ga_xSb_1-x(0≤x≤0.5)、Ge_xSb_1-x(0≤x≤0.2)、InN、InAs、InP、InSb、In_xSb_1-x(0≤x≤0.5)、Ge_aIn_bSb_cTe_d(0≤a≤0.2，0≤b≤0.2，0.5≤c≤1，0≤d≤0.5)、In_xSb_yTe_z(0≤x≤0.2，0.5≤y≤1，0≤z≤0.3)、Ag_aIn_bSb_cTe_d(0≤a≤0.2，0≤b≤0.2，0.5≤c≤1，0≤d≤0.5)、Te_aGe_bSn_cAu_d(0.5≤a≤1，0≤b≤0.2，0≤c≤0.3，0≤d≤0.5)、AgSbTe₂、AgInTe₂、GeCdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、PbS、PbSe、PbTe、灰Sn、灰Se、Sb、Te、Sb_1-xTe_x(0≤x≤0.5)、B、DAC(类金刚石无定形碳)，TAC(四面体无定形碳):N，a-C；H(无定形氢化碳层)，或者DLC(类金刚石碳)，K₄C₆₀，K₆C₆₀，Ga-As-Si系，Ga-GaAs-Ge系，Ga-GaAs-Sn，Ga-As-Sn系，Ga-As-Zn系，Ga-P-Si系，Ga-P-Zn系，Ga-P-Ge系，GaP-Bi系，GeTe-Bi₂Te₃，GeSb₂Te₄，GaP:N，GaAs:Ca，GaAs:K，GaAs:Cl，或者GeBi₂Te₄。
加入非常低浓度空穴的p型氧化物半导体包括Y_1-xPr_xBa₂Cu₃O₇(0≤x≤1)、La_2-xSr_xCuO₄(0≤x≤1)、La_2-xBa_xCuO₄(0≤x≤1)、Ba_1-xSrTiO₃(0≤x≤1)、La_1-xSrTiO₃(0≤x≤1)、VO₂、V₂O₃、Ca_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Al_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Ti_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Fe_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、W_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Mo_xV_1-xO₂(0≤x≤1)、Fe₃O₄、Nb₂O₅、WO₃、Ti₂O₃、PdO、Al₂O₃、HfO₂、SiO₂、Y₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂、或者ZrO₂。
包括加入低浓度空穴的p型过渡金属的半导体包括Fe_1-xS(0≤x≤0.5)、SmS、SmSe、SmTe、Eu₃S₄、FeSi₂、Fe_1-xMn_xSi₂(0≤x≤0.5)、Fe_1-xCo_xSi₂(0≤x≤0.5)、B:H(9％)、B:H(11％)、B:H(24％)、LiAlB1₄、CuB₄、CaB₆、a-AlB1₂、YB₆₆、SmB₆₆、Mn₁₁Si₁₉、Mn₂₆Si₄₅、Mn₁₅Si₂₆、Ru₂Si₃、Fe₂Si₂、RuP₂、RuPAs、RuAs₂、OsP₂、OsAs₂、RhP₂、RhAs₂、IrP₂、IrAs₂、RuP₄、FeAs、RuAsS、OsPS、OsAsS、OsPSe、Ti_1+xS₂(0≤x≤0.5)、TiS_3-x(0≤x≤0.5)、Zr_1+xSe₂(0.01≤x≤0.1)、Zr₂S₃、ZrSe₃、HfSe₂、MoS₂、2H-MoTe_2-x(0.01≤x≤0.1)、2H-WSe₂、MnTe、TcS₂、TcSe₂、ReS₂、ReSe₂、FeS₂、RuS₂、RuSe₂、RhS₃、RhSe₂、RhSe₃、IrS₂、IrSe₂、PtS、Pt_xS₂(0.9≤x≤1)、SmTe、EuTe、YbSe、YbTe或者BC。
加入非常低浓度空穴的p型有机半导体为D⁺A^-型，其中D⁺是有机施主并且A^-为有机受主，并包括D⁺A^-＝TTF+Br、D⁺A^-＝BEDT-TTF或者D⁺A^-＝TMPD+TCNQ。这里，TTF为四硫代富瓦烯，BEDT-TTF是二乙烯二硫代-四硫代富瓦烯，TMPD是N，N，N′，N′-四甲基-p-苯二胺，并且TCNQ是四氰代对苯醌二甲烷。而且，TCNQ是通过注入空穴在TCNQ-和TCNQ之间转换的活性成分。
同样，p型有机半导体包括并五苯及其衍生物、噻吩以及噻吩低聚物、苯并二硫代苯二聚物(benzodithiophene dimer)、酞菁、聚(烷基噻吩)、聚(3己基噻吩)、聚(3辛基噻吩)、聚(3十二基噻吩)、蒽二噻吩(ADT)、己二基ADT、双十二基ADT、包括双十八烷基ADT的噻吩衍生物、芳香化合物或者有机化合物。
第一和第二电极层141和142包括W、Mo、Au/Cr、TiW、Ti/Al/N、Ni/Cr、Al/Au、Pt、Cr/Mo/Au、YBa₂Cu₃O_7-d、或者Ni/Mo/Au。
现在描述使用突变MIT半导体材料的半导体器件结构的运行。当预定强度的偏压施加到第一和第二电极层141和142上时，在突变MIT半导体材料层130的两端形成预定大小的场。然后，由于该场而发生空穴掺杂现象，即处于突变MIT半导体材料层130的空穴能级的空穴被注入到价带。根据该掺杂现象，突变MIT半导体材料层130从绝缘体转变成金属，并且结果是，电流在第一和第二电极层141和142之间流动。
现在描述使用具有堆叠结构的突变MIT半导体材料的二端子半导体器件100的制造方法。首先，缓冲层120，例如钛(Ti)层，在半导体衬底110如硅衬底上形成，并且由铂(Pt)薄层形成的第一电极141形成在缓冲层120上作为下电极。Pt薄层可通过溅射法形成。接着，突变MIT半导体材料层130用VO₂层形成。该VO₂层可由脉冲激光法进行沉积。在某些情况下，突变MIT半导体材料层130可通过分子束外延法形成。接着，采用溅射法，由Au/Cr层形成的第二电极142在突变MIT半导体材料层130上形成。
图2是示出根据本发明另一实施例的、采用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件200的剖视图。
参考图2，二端子半导体器件200具有其中电流在水平方向上流动的平面结构，并且具有设置在衬底210上的缓冲层220以及在该缓冲层220上的突变MIT半导体材料层图案230。突变MIT半导体材料层图案230设置在缓冲层220的部分表面上。第一电极层241和第二电极层242在突变MIT半导体材料层图案230上彼此互相以预定距离分隔开设置。在某些情况下，栅绝缘层或者铁磁薄层能插入在第一电极层241和第二电极层242之间。
具有平面结构的二端子半导体器件200的运行与具有图1中的堆叠结构的二端子半导体器件100的运行相同，除了由于突变MIT半导体材料层图案230转变成金属而使得电流方向是水平的。
现在将描述使用具有平面结构的突变MIT半导体材料层图案230的二端子半导体器件200的制造方法。首先，由Ti层形成的缓冲层220形成在半导体衬底210上，并且在缓冲层220上采用VO₂层形成突变MIT半导体材料层130。接着，在通过构图突变MIT半导体材料层130而露出缓冲层220的部分表面后，金属层(未示出)在缓冲层220的整个表面上形成。此后，掩模层图案(未示出)在金属层上形成并且采用该掩模层图案的蚀刻工艺去掉该金属层的裸露部分。于是，露出作为沟道区域的突变MIT半导体材料层130的表面部分并且第一电极层241和第二电极层242在突变MIT半导体材料层130的裸露部分的两侧上形成。接着，去掉该掩模层图案。
图3是包括使用根据本发明的突变MIT半导体材料的二端子半导体器件的二端子网络电路。
参考图3，使用具有堆叠结构或者平面结构的突变MIT半导体材料的二端子半导体器件100或者200的一个电极，例如第一电极层141或者241，连接到第一端子310，以及另一电极，如第二电极层142或者242，通过插入电阻单元300连接到第二端子320。该电阻单元300具有足够大的阻值R，从而避免二端子半导体器件100或者200由于大电流而失效。使用二端子网络电路将其连接到晶体管或者电源上。
图4是示出在图1和2的突变MIT半导体材料中的空穴掺杂效应的图表。该图表里面的曲线由等式m^*/m＝1/(1-ρ⁴)给定，其中m^*是有效质量并且ρ是金属中载流子的能带填充因数。导电率σ正比于(m^*/m)²。这些因数之间的关系类型公开在由Hyun-Tak Kim发表于北约科学丛刊(NATOScience Series)Vol II/67(Kluwer，2002)pp.137以及网址http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0110112的文章“超导电性的新趋势(New Trendsin Superconductivity)”中。
参考图4，在Mott-Brinkman-Rice绝缘体(Mott绝缘体)的情况下，虽然电子数量等于原子数量，但该绝缘体仍然不是金属，当作为原子数量与电子数量的比值的能带填充因数ρ小于1时，即发生空穴掺杂，则Mott-Brinkman-Rice绝缘体从绝缘体转变成金属。在Mott-Brinkman-Rice绝缘体中能带填充因数ρ从1减小到小于1表示空穴掺杂已经发生。在图4中，由附图标记410指示的虚线表示快速跃变到金属的绝缘体，由附图标记420指示的线表示在转变为金属之后处于金属状态的电子有效质量m^*/m。公知的是导电率与金属状态下的电子有效质量m^*/m的平方成正比。因此，如果非常低浓度的空穴掺入到Mott-Brinkman-Rice绝缘体中，绝缘体就转变为金属。此时，当产生空穴掺杂的空穴数量增加时，跃变程度减弱并且实现低导电率。相反，当所加入的空穴数量减少时，跃变程度增强并且实现高导电率。通常，半导体已经被解释成不作为Mott-Brinkman-Rice绝缘体。然而，考虑到在前述理论中公开的Mott-Brinkman-Rice绝缘体的特性，其中半导体材料也具有小于2eV的能隙以及空穴能级或电子能级，因此能制造二端子半导体器件。
图5是示出在图1和图2的突变MIT半导体材料中存在小于2eV的子能隙(sub-gap)的图表。这是由R.Zimmermann、R.Claessed、F.Reinert、P.Steiner、S.Hufner在J.Phys.：Condens.Matter 10(1998)5697中公开的光电发射光谱数据。
参考图5，在VO₂(参考附图标记520)和V₂O₃(参考附图标记530)的光电发射光谱中，可见除了具有约6eV的结合能(或者能隙)的主能隙以外，存在具有小于2eV的结合能的子能隙(参考附图标记521和531)，VO₂和V₂O₃是表现出根据参考图4所描述的空穴掺杂而快速转变为金属的Mott-Brinkman-Rice绝缘体。然而，通过空穴掺杂不会产生突变MIT的V₂O₅的光电发射光谱(参考附图标记510)仅示出了主能隙，而没有观察到小于2eV的结合能水平的子能隙(sub-gap)。该结果表示产生突变MIT的材料具有小于2eV的结合能水平的子能隙。这是Mott-Brinkman-Rice绝缘体的一方面同时也是半导体的一方面。
图6是示出在根据图1和图2的突变MIT半导体材料中用于解释载流子随温度改变的霍尔效应结果的图表。
参考图6，在低于332K的温度(参考6A)，空穴浓度范围是约1.25×10¹⁵/cm³-7.37×10¹⁵/cm³。图6中的符号“-”表示空穴。示出浓度在范围1.25×10¹⁵/cm³-7.37×10¹⁵/cm³内的空穴存在于价带(valence band)中。然而，事实上，除存在于价带中的空穴以外，少量不可测量的空穴存在于空穴能级中。当温度增加时，位于空穴能级的空穴显现出来，并且当温度增加到约332K时测量到约1.16×10¹⁷/cm³的空穴(参考6B)。如果温度进一步增加，测量到一定数量的电子，并且当温度进一步增加时电子数量急剧增加(参考6C)。因此，当Mott-Brinkman-Rice绝缘体的温度增加时，位于空穴能级的空穴在约332K温度时进行测量，并且如果温度进一步增加，Mott-Brinkman-Rice绝缘体快速转变成金属。空穴的温度依从性也是半导体的一方面。
图7是示出在图1和图2的突变MIT半导体材料中电阻随温度改变的图表。
参考图7，在蓝宝石(Al₂O₃)(晶面为1102)衬底上形成VO₂层之后，测量电阻随温度的改变，该VO₂层为Mott-Brinkman-Rice绝缘体。结果表示VO₂层在低于332K的温度下保留在具有相对高电阻值的半导体状态(参考图7中的图7A)，在约332K的温度下产生到金属的快速转变，并且在高于约340K的温度下到达具有相对低电阻值的金属状态(参考图7中的图7B)。这个结果与参考图6描述的结果相同，作为根据温度改变的空穴掺杂的结果，半导体快速转变为金属。在区域7A中电阻随温度增加而指数下降是半导体的一方面。
图8是示出用于观察根据温度改变的材料结构改变的拉曼散射的测试结果。在图8中，x轴和y轴分别表示拉曼位移和光谱强度。
参考图8，当结构相变的温度从低温变化到高温时，即，从45摄氏度变化成85摄氏度时，原子位置也改变。更具体的是，如附图标记800所示的点划线，在45摄氏度时的622cm^-1处最大单斜晶结构的Ag峰改变为85摄氏度时的570cm^-1处宽四方晶体结构的A_1g峰。因此，可以看到原子的位置能根据表示特定位置上的原子极化的峰位置的改变而不同。原子的位置改变意味着发生了结构相变，因此，结构相变能通过温度改变而产生。
图9是示出在关于VO₂的突变MIT半导体中光谱微拉曼散射测试的结果，其是图1和图2的突变MIT半导体材料，用于观察根据电流改变的材料的结构改变。
参考图9中的(a)，在蓝宝石(Al₂O₃)衬底(晶面为1102)上具有VO₂层的情况下，当观察到如附图标记900所示的峰位置改变时，622cm^-1处单斜晶的A_g峰直到VO₂层中的电流达到18mA时才改变并在18mA以上消失。这表示20mA以下没有发生结构相变。在16mA以上存在的峰是衬底的Al₂O₃峰。在约30mA的电流以上，发生了指示结构相变产生的原子位置改变并且出现指示宽四方晶格结构的A_1g峰。这意味着在30mA以上产生了结构相变。然而，此后将参考图11描述，在VO₂层中的电流约为5mA的事实意味着通过在VO₂层中空穴掺杂而已经发生向金属的快速转变。这证明通过空穴掺杂而快速转变为金属的结构相变不发生。当电流大于约30mA时的结构相变是通过流进VO₂层中的电流产生的热所发生的现象，并不与通过空穴掺杂快速转变为金属直接相关。因此，通过空穴掺杂而快速转变成金属与结构相变不同。该结构相变是第二现象。
参考图9中的部分(b)，当VO₂层中的电流约为100mA时，由于拉曼位移峰被大量电流遮蔽，因此原子位置改变的测量很困难。这证明VO₂层具有金属特性。
图10是示出图1和2的突变MIT半导体材料根据温度改变的电压-电流特性的图表。图10中的x轴表示施加到蓝宝石(Al₂O₃)衬底(晶面为1102)上的VO₂层两端的漏源电压V_DS，并且y轴表示在VO₂层的两端上流动的电流I_DS和电流密度J_DS。VO₂层两端的长度，即，沟道长度是5微米。
参考图10，快速转变成金属发生在温度低于约338K的温度上，在338K温度上在漏源电压V_DS下产生结构相变。当温度增加的时候，发生快速转变为金属处的漏源电压V_DS减小。在比338K(65摄氏度)更高的温度上，即，当结构相变已经由于温度改变而发生时，突变MIT半导体材料满足欧姆定律。因此，向金属的快速转变发生在比产生结构相变的温度更低的温度上。因此，在结构相变和快速转变成金属之间没有直接的关系。结构相变是由于在金属-绝缘体转变之后的过量电流而导致的器件温度升高而发生的。这表示金属-绝缘体转变不直接影响结构相变。
图11是示出在图3的二端子网络电路中的电压-电流特性的图表。在图11中，图2的平面结构的半导体器件被用作使用突变MIT半导体材料的二端子半导体器件。更具体地是，蓝宝石(Al₂O₃)层被用作衬底，VO₂层被用作突变MIT半导体材料，Au/Cr的两层被用作第一和第二电极，并且第一和第二电极之间的VO₂层的沟道长度是5微米。电阻单元具有1KΩ的阻值。
参考图11，VO₂层维持在绝缘状态(参考11A)直到约22.5V的漏源电压V_DS施加到第一电极和第二电极之间，但在高于22.5V的电压时，VO₂层由于快速转变成金属而变成金属状态(参考11B)。这意味着如果施加约22.5V的电压，即，将高于预定大小的场施加到VO₂层的两端，于是通过空穴掺杂而产生突变MIT。当VO₂层通过空穴掺杂产生突变MIT而从绝缘状态(11A)变化到金属状态(11B)时，电流流进VO₂层并且该电流的大小比约15mA大。
图12是示出图1和图2的突变MIT半导体材料的金属状态的滞后特性的图表。
参考图12，从根据施加到突变MIT半导体材料两端的场E_DS的变化而改变的电流密度的测量结果，可以看出作为突变MIT的结果存在金属状态的滞后特性，即，电流密度J_DS如箭头12A→12B→12C→12D所示依次改变的特性。这证明当施加场时空穴掺杂引起突变MIT。
图13是示出采用VO₂层作为突变MIT半导体材料的二端子半导体器件中的电压-电流特性的图表。
参考图13，在采用具有图1的堆叠结构的突变MIT半导体材料的半导体器件中，如果VO₂层被用作突变MIT半导体材料，可以看出作为施加预定电压到VO₂层两端的结果，VO₂层通过由空穴掺杂产生的突变MIT而已经从绝缘体状态(13A)转变成金属状态(13B)。
图14是示出在采用p型砷化镓(GaAs)作为突变MIT半导体材料的二端子半导体器件中的电压-电流特性的图表。
参考图14，作为在GaAs衬底上形成p型GaAs层之后将预定电压V_DS施加到p型GaAs层两端的结果，通过由于空穴掺杂而产生的突变MIT，GaAs层已经从绝缘体状态(14A)转变成金属状态(14B)。这里，p型GaAs是具有小于2eV的子能带和位于空穴能级的空穴的材料，并且可以看出当施加约30V的电压时通过空穴掺杂已经发生了向金属的快速转变。从n≈(0.2/a_H)³得到突变MIT发生时的低浓度空穴，n≈0.001％≈1*10¹⁴cm^-3。
图15是示出在采用p型GaAs作为突变MIT半导体材料的二端子半导体器件中的电压-电流特性的图表。
参考图15，在GaAs衬底和p型GaAs层之间形成砷化铝(AlAs)缓冲层的情况下，当与没有AlAs缓冲层的情况相比施加相对高的电压时，可以看出由于产生突变MIT，绝缘体状态(14A)已经变化成金属状态(14B)。然而，电压差微小。
图16是示出在采用p型GaAs作为突变MIT半导体材料的二端子半导体器件中根据温度变化的电压-电流特性的图表。这里，p型GaAs的沟道长度是约10微米。
参考图16，在于GaAs衬底上形成p型GaAs层的情况下，在相对是最低的约300K的温度下，在约80V的电压下产生p型GaAs层从绝缘体状态(16A1)向金属状态(16B1)的快速转变。在330K的相对高温下，p型GaAs层中从绝缘体状态(16A2)向金属状态(16B2)的突变MIT在约55V的电压下产生。在350K的相对高温下，在约53V的电压下p型GaAs层从绝缘体状态(16A3)转变为金属状态(16B3)。这些结果示出了用于产生突变MIT所施加的电压和温度之间的关系，并且结果表明，当温度增加时，产生突变MIT所施加的电压低，并且在一定温度水平以上产生突变MIT所施加的电压不存在差别。
图17是示出作为突变MIT半导体材料的p型GaAs的金属相的滞后特性的图表。这里，p型GaAs的沟道长度约为10微米。
参考图17，根据施加到突变MIT半导体材料两端上的电压V_DS的变化而出现的电流密度J_DS的测量结果示出了作为产生突变MIT结果的金属状态的滞后特性，即，依次由箭头(17A→17B→17C→17D)表示的电流密度J_DS的变化。该结果证明通过由施加场而引起的空穴掺杂能够在p型GaAs中产生突变MIT。
图18(a)是示出GaAs的导电率的温度依赖性的图表。这些数据由GGattow和GBuss公开并发表于Naturwissenschaften56(1)(1969)35中。引用这些数据以示出GaAs的结构相变的温度。图18(b)是示出其中加入低浓度空穴的p型GaAs的电阻的温度依赖性的图表。电阻与导电率成反比。
更具体地说，图18(a)示出了在约1240摄氏度温度时导电率的快速不连续性的线。该结果表明从单斜晶到四方晶格结构的结构相变在低于1240摄氏度的温度下发生。图18(b)示出了测量到480K温度的、加入5×10¹⁴cm^-3的低浓度空穴的p型GaAs的电阻，并且示出了没有突变MIT。因此，由于在图14、15、17中以及图16中300K、330K和350K温度下观察到的突变MIT产生于比结构相变的温度低得多的温度下，因此可以认为在GaAs中观察到的突变MIT与结构相变不直接相关。
图19是示出在采用p型GaAs作为突变MIT材料的二端子半导体器件中采用514.5nm氩离子激光器所测量的光电流特性的图表。这里，p型GaAs的沟道长度是约10微米。
参考图19，光电流特性由照射激光时所测量的电流-电压特性(19A2)和没有照射激光时所测量的电流-电压特性(19A1)之间的差来定义。光电流特性示为曲线“19A3”。在低于27.5V的电压时曲线“19A2”和“19A3”重叠，在27.5V电压处在曲线“19A1”中发生突变MIT。这是因为由于曲线“19A1”的值太小，因此曲线“19A2”和“19A1”之间的差等于曲线“19A2”。这意味着曲线“19A3”的大小几乎等于当照射激光到p型GaAs时由激光激励的空穴载流子(光电流载流子)所产生的光电流。因此，本发明的二端子器件能用作使用大光电流的光传感器。传统的光传感器具有十个薄层的堆叠从而增加光电流效果。然而，本发明的二端子器件的使用能够简化该结构。另外，当使用射频(RF)发射器代替激光器时，类似光电传感器的二端子器件能用作RF接收器。另一方面，由曲线“19A3”表示的27.5V以上的减小光电流特性是因为在金属中并未产生光电导特性。这是突变MIT的一方面。
图20是示出通过照射具有488nm波长的Ar激光而从图2的二端子半导体器件发射的光激荧光(PL)的强度和波依赖性的光谱图表，该二端子半导体器件采用作为突变MIT材料的p型GaAs和由AlAs形成的缓冲层制造。
参考图20，由细线表示的图形表示在0V电场施加到第一和第二电极所测量的光谱，并且粗线表示的图形表示在34V电场施加到第一和第二电极所测量的光谱。在34V附近已经发生突变MIT。峰“20A1”对应于在波长为860nm时具有约1.45eV的GaAs的子能隙。这证明p型GaAs是具有小于2eV的能隙的半导体，其中加入了空穴。当34V的电压施加在第一和第二电极之间时，子能隙PL的强度快速减小。然而，峰“20A2”表示由于存在未产生突变MIT的材料而仍然保留一定峰。这是因为p型GaAs与产生突变MIT的材料和不产生突变MIT的材料混合。在通过施加电场而产生突变MIT之后，从800nm到600nm光谱强度连续增加。从600nm朝短波长光谱曲线的突然降低是因为采用滤波器去掉了短波长。PL强度从800nm到600nm波长的增加(20A4)理解为从二端子器件发光的结果。具有640nm附近波长的光对应于红光。因此，图2的二端子器件能用作发光器件，例如发光二极管(LED)或者激光器。从800nm到600nm波长PL强度的连续增加现象被解释为由于轫致辐射(Bremsstrahlung radiation)的发光，其中由突变MIT产生的电子通过在强电场(E＝V/d_沟道长度＝34V/5um＝6.8×10⁶V/m)中加速该电子而产生连续光谱的电磁波。这与产生特定类光的加速器的原理相同。该二端子器件能被认为是具有5微米的加速长度的超小型加速器。
图21是示出在采用p型GaAs作为突变MIT材料的二端子器件中通过电流控制方法测量的电流-电压特性图，该电流控制方法以10微安的电流测量电压。这里，p型GaAs的沟道长度约为10微米。
参考图21，当第一次施加10微安的电流时，测量到55V的电压(21A)。接着，当电流每次增加10微安时，电压不连续减小到约25V(21B)。当电流进一步增加时，电压呈欧姆定律增加。所测电压从55V(21A)到25V(21B)的不连续减小对应于突变MIT，这是因为示出欧姆定律的直线“21C”表示金属特性。根据电流的增加而减小并增加电压的现象被称作负电阻或者负差电阻(negative differential resistance)。在注入低浓度空穴的半导体如p型GaAs中的负特性检测是相变存储器的一方面。这意味着p型GaAs可用作形成非易失性存储器的材料。同样，加入低浓度空穴的所有半导体材料可表现出负电阻特性。
图22是示出图2中二端子半导体器件的电极形状的透视图。
参考图22，如果第一和第二电极241和242在突变MIT半导体材料层300上具有彼此相对的平面结构，那么彼此相对的表面的长度可通过以手指形状形成第一和第二电极241和242而增加，由此增加单位面积的电流量。在附图中，尽管第一电极241形成为具有三个手指并且第二电极242形成为具有两个手指，但手指的数量可增加。同样，手指的长度和第一电极241与第二电极242之间的水平距离L可按照要求加以控制。
图23A和23B分别是突变MIT半导体材料层的透视图和用于解释根据图1和图2突变MIT半导体材料的厚度变化的长度和宽度间关系类型的图。
参考图23A和23B，突变MIT半导体材料层130或230的宽度W、长度L、厚度t、以及面积A必须是彼此互相协调的。即，当在室温下产生金属-绝缘体转变时，为了在产生转变的前后能够具有约10⁴欧姆的阻值变化，如果薄层厚度是100nm，那么长度L是约20微米，并且宽度W是约3mm，如图23(B)中的虚线所示。控制厚度t、长度L以及宽度W能够适当地维持期望的阻值变化。
如上所述，按照使用根据本发明的突变MIT半导体材料的二端子半导体器件及其制造方法，通过使用通过空穴掺杂的突变MIT半导体材料而不是利用结构相变，能够制造出能从小面积得到大电流并且能够高速运行的器件。该器件可应用于多个领域，包括报警器件、温度传感器、开关器件、存储器件、电池保护电路、相变存储器、使用突变MIT和铁磁薄层的磁存储器、光电传感器、高速光通讯接收器、RF检测器、或者在任意温度时需要大电流的晶体管。
尽管本发明已经参考其代表性实施例进行了具体表示和描述，但本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的条件下，形式和细节上的各种改变均可进行。