(57)【要約】電子トンネル素子（１１０）は、所定電圧が第１非絶縁層と第２非絶縁層との間に加えられるように、間隔を置いて離れた第１非絶縁層（１１２）と第２非絶縁層（１１４）を含む。電子トンネル素子はまた、非絶縁層間に配置され且つ非絶縁層間の電子の伝達部としての機能を果たすように構成される配列を含む。この配列は、この配列において第１アモルファス材料層を用いることのみによって、所定電圧に関して、電子の伝達における所定値のパラメータを結果的に得るように、第１アモルファス材料層（１１６）を含む。その配列は、電子の伝達が、少なくとも一部において、トンネリングによる伝達を含むように、且つ、そのパラメータが、所定電圧に関して、そのパラメータの所定値より大きくなるように、第１アモルファス材料層（１１６）と協調する第２材料層（１１８）をさらに含む。
2004527918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）互いに間隔を置いて離れ且つエネルギーを受け取る第１導電層と第２導電層；並びに
ｂ）第１導電層と第２導電層との間に配置され且つ前記第１導電層と第２導電層との間における電子の伝達部として機能する配列であって、
ｉ）第１材料層と、
ｉｉ）電子の伝達部が少なくとも一部においてトンネリングによる伝達部を含むように前記第１材料と協調する第２材料層と、
から構成される、配列；
から構成されることを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項２】
請求項１に記載の電子トンネル素子であって、電子トンネル素子は電子トンネル素子に入射する太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、前記電子トンネル素子は出力を有し且つその出力において電気エネルギーを提供し、第１層と第２層とは入射する前記太陽エネルギーを受け取るためのアンテナを形成するように導電性をもち、第１材料層は絶縁性であり且つ第２材料層は絶縁性であって前記第１絶縁層に直接隣接して配置され、それ故、その導電層に入射する太陽エネルギーは少なくとも一部が出力における電気エネルギーとして引き出されることが可能である、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項３】
請求項１に記載の電子トンネル素子であって、第１導電層と第２導電層は、所定の電圧が第１非絶縁層と第２非絶縁層とを横切って加えられるように、互いに間隔を置いて離れている非絶縁層であり、第１材料層は、前記所定の電圧に関して、配列において前記第１アモルファス材料層のみを用いることにより前記電子の伝達部における第１パラメータの所定値が得られ、第２材料層は、前記所定に電圧に関して、前記第１パラメータが何ら付加的な層を必要とすることなく前記第２材料層を含むことにより前記第１パラメータの前記所定値より大きくなるように前記第１層と協調する、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項４】
請求項３に記載の電子トンネル素子であって、前記電子の伝達部における前記第１パラメータは非線形性である、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項５】
請求項３に記載の電子トンネル素子であって、前記電子の伝達部における前記第１パラメータは非対称性である、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項６】
請求項３に記載の電子トンネル素子であって、前記第１アモルファス材料層は、前記所定の電圧値に関して、配列において前記第１アモルファス材料層のみを用いることにより前記電子の伝達部において第２パラメータの所定値が得られ、前記第２材料層は、前記所定の電力に関して、前記第２パラメータが何ら付加的な層を必要としないで前記第２材料層を含むことにより前記第２パラメータの前記所定値より小さくなるように前記第１アモルファス材料層とさらに協調する、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項７】
請求項６に記載の電子トンネル素子であって、前記電子の伝達部における前記第２パラメータは微分抵抗である、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項８】
請求項３に記載の電子トンネル素子であって、前記第１アモルファス材料層は第１伝導帯高さを示し、前記第２材料層は第２伝導帯高さを示し、第２伝導帯高さは第１伝導帯高さとは実質的に異なる、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項９】
請求項３に記載の電子トンネル素子であって、前記第２材料層は第１アモルファス材料層に直接隣接して配置される、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１０】
請求項３に記載の電子トンネル素子であって、第１非絶縁層と第２非絶縁層は電磁エネルギーを受け取り、且つそのように受け取られた電磁エネルギーを第１非絶縁層と第２非絶縁層とを横切って提供される前記所定電圧に変換するためにアンテナ構造を形成するためにアンテナ構造を形成する、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１１】
請求項１に記載の電子トンネル素子であって、電子トンネル素子はそれに入射する太陽エネルギーを電気エネルギーに変換し、前記電子トンネル素子は出力を有し且つ出力において電気エネルギーを提供し、第１導電層と第２導電層は第１配列の一部であり、第１導電層と第２導電層は互いに間隔を置いて離れた非絶縁層であり且つそれらに入射する前記太陽エネルギーを受け取るためのアンテナを形成し、第１非絶縁層と第２非絶縁層との間に配置された配列は第２配列であり、第１材料層は第１アモルファス材料層であり、第２材料層は、前記アンテナに入社する太陽エネルギーが、少なくとも一部において、出力における電気エネルギーとして引き出されるように、第１アモルファス材料層と協調する、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電子トンネル素子であって、前記第２材料層は第１アモルファス材料層に直接隣接して配置される、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１３】
請求項１１に記載の電子トンネル素子であって、第１非絶縁層と第２非絶縁層および第１アモルファス材料層は、所定の電圧が所定の値の範囲内にあるとき、負の微分抵抗を示すように構成される、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１４】
請求項１１に記載の電子トンネル素子であって、前記アンテナはて威容エネルギーを受け取り且つそのように受け取られた太陽エネルギーを第１非絶縁層と第２非絶縁層とを横切って供給される前記所定の電圧に変換される、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１５】
請求項１に記載の電子トンネル素子であって、電子トンネル素子は入力エネルギーを特定のエネルギー変換効率値を伴って出力エネルギーにへんかんするためのものであり、前記電子トンネル素子は出力を有し且つ前記出力エネルギーを前記出力に供給し、第１導電層と第２導電層は非絶縁層であって第１配列の一部であり、第１非絶縁層と第２非絶縁層は互いに間隔を置いて離れており且つ前記入力エネルギーを受け取り、第１導電層と第２導電層との間に配置された配列は第２配列であり、それら導電層は非絶縁層であり、第１材料層は、所定の値の入力エネルギーに関して、その配列における前記第１アモルファス材料層のみを用いることにより所定値のエネルギー変換効率を結果的に得るように、アモルファス材料からなり、第２材料層は、前記エネルギー変換効率が、前記所定値の入力エネルギーに関して、何ら付加的な層を必要とすることなく前記第２材料層を含むことにより所定値のエネルギー変換効率より大きくなるように、第１アモルファス材料層と協調する、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電子トンネル素子であって、前記第２材料層は第１アモルファス材料層に直接隣接して配置される、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１７】
請求項１５に記載の電子トンネル素子であって、第１非絶縁層と第２非絶縁層は前記入力エネルギーとして電磁エネルギーを受け取るためにアンテナ構造を形成する、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１８】
請求項１に記載の電子トンネル素子であって、電子トンネル素子はそれに入射する太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するためのものであり、電子トンネル素子は出力を有し且つ出力において電気エネルギーを提供し、第１導電層と第２導電層は互いに間隔を置いて離れた電気導電層であってそれに入射する前記太陽エネルギーを受け取り、第１材料層は、それに入射する前記太陽エネルギーの所定値に関して、その配列における前記第１アモルファス材料層のみを用いることにより所定値の太陽エネルギー変換効率を結果的に得て、第２材料層は、第１非絶縁層と第２非絶縁層に入射する太陽エネルギーが、少なくとも一部において、前記出力において電気エネルギーとして引き出されることが可能であるように、前記第１アモルファス材料層と協調し、前記太陽エネルギー変換効率は、それに入射する前記太陽エネルギーの前記所定値に関して、何ら付加的な層を必要とすることなく前記第２材料層を含むことにより前記所定値の太陽エネルギー変換効率より大きい変換効率に増加されるように、第１アモルファス材料層と協調する、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項１９】
請求項１に記載の電子トンネル素子であって、第１導電層と第２導電層は、所定の電圧が第１非絶縁層と第２非絶縁層を横切って加えられるように互いに間隔を置いて離れている導電層であり、第１材料層は第１アモルファス絶縁層であり、第２材料層は第１絶縁層に直接隣接して配置される第２絶縁層である、ことを特徴とする電子トンネル素子。
【請求項２０】
（ｉ）所定電圧が第１非絶縁層と第２非絶縁層を横切って提供されるように互いに間隔を置いて離れた第１非絶縁層と第２非絶縁層と、（ｉｉ）第１非絶縁層と第２非絶縁層との間に配置され且つ電子の伝達部としての機能を果たす配列と、を含む電子トンネル素子であって、前記配列は、所定の電圧に関して、その配列において前記第１アモルファス材料層のみを用いることにより、第１非絶縁層と第２非絶縁層との間の前記電子の伝達において所定程度の非線形性が結果的に得られるように、第１アモルファス材料層を含み、前記所定程度より大きい非線形性において前記所定電圧に関して前記電子の伝達における前記非線形性を増加させるための方法は：
第１非絶縁層と第２非絶縁層との間の第２材料層を配置する段階であって、前記第２材料層は、電子の伝達が少なくとも一部において何ら付加的な層を必要とすることなく前記非線形性が増加されるようなトンネリング手段による伝達を含むように、前記第１アモルファス材料層と協調する、段階；
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、前記第２材料層を配置する段階は、第１アモルファス材料層に直接隣接する第２材料層を配置する手順を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法であって、電磁エネルギーを受け取るアンテナ構造を形成するために第１非絶縁層と第２非絶縁層を構成する段階、並びに、そのようにして受け取られた電磁エネルギーを第１非絶縁層と第２非絶縁層とを横切って供給される前記所定電圧に変換する段階、からさらに構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
基板に電子トンネル素子を製造するための方法であって；
ａ）基板において所定形状を有する第１非絶縁層を形成する段階；
ｂ）酸化物層を第１非絶縁層において一体的に形成するように前記酸化物層を提供する段階であって、前記酸化物層は第１アモルファス層としての機能を果たす、段階；
ｃ）酸化物層に直接隣接する第２絶縁材料層を析出する段階；並びに
ｄ）第２非絶縁層を形成する段階であって、前記第２絶縁材料層は、第１アモルファス層と第２絶縁材料層が共に第１非絶縁層と第２非絶縁層との間の電子の伝達部としての機能を果たし、且つ、前記電子の伝達部は、少なくとも一部において、トンネリング手段による伝達を含むように、第１アモルファス層と協調する、段階；
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、前記第１非絶縁層を形成する前記段階は：
ｉ）第１非絶縁材料の結合層を析出する手順；
ｉｉ）異なる第２非絶縁材料からなるコンタクト層を析出する手順；並びに
ｉｉｉ）過剰な第１非絶縁材料と第２非絶縁材料をリフトオフする手順であって、前記第１非絶縁材料は、材２非絶縁材料が基板に直接的というより結合層に非常に容易に付着するように、選択される、手順；
をさらに含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
入射する太陽エネルギーを電気エネルギーに変換し、出力において前記電気エネルギーを提供するための方法であって、
ａ）互いに間隔を置いて離れる第１非絶縁層および第２非絶縁層を備えて所定電圧がそれらの間に加えられ、且つ、入射する前記太陽エネルギーを受け取るためのアンテナ構造を形成するために第１非絶縁層と第２非絶縁層から構成される段階；
ｂ）非絶縁層間に配列を配置する段階であって、前記配列は第１アモルファス材料層と第２材料層とを含む、段階；並びに
ｃ）電子の伝達が、少なくとも一部において、トンネリング手段による伝達を含むように、且つ、第１非絶縁層および第２非絶縁層に入射する太陽エネルギーが、少なくとも一部において、前記出力において電気エネルギーとして引き出されるように、前記第１非絶縁層と第２非絶縁層との間の電子の伝達部としての機能を果たすための前記配列を構成する段階；
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、前記配列を構成する段階は、第１アモルファス材料層に直接隣接して第２材料層を配置する手順を含む、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光電子素子に関し、さらに詳細には、電子トンネル素子であって、特に、太陽エネルギー変換向け素子に関する。その上、本発明においては、太陽エネルギー変換向けの金属−酸化物電子トンネル素子について開示して説明する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー危機という観点から、ガスや電気等の従来からの電力源に対して依存度が高まっていることに焦点が当てられている。エネルギーコストが上昇するにつれ、水力発電や熱核反応のような従来からの電力源を補強するために代替の電力源を見つけることが求められている。太陽エネルギー変換は、太陽の利用可能なパワーを即座に利用することにより、そのような代替の電力源を提供することができる。
【０００３】
太陽エネルギー変換システムの増設を妨げている主な障害の１つは効率である。現在利用可能な半導体太陽電池システムは、従来の電力源により可能である１ドル当たりの電力量を提供することはできない。特に、高いエネルギー変換効率（入力太陽エネルギーに対する出力電力の比）をもつ半導体太陽電池は高価である。殆どの太陽電池システムは、大きい太陽電池パネルに必要とされる大きさに拡大することが困難である半導体技術に基づいている。今日の技術を用いる場合、従来の電力源に置き換えるために十分大きい半導体ベースの太陽電池パネルを製造することは高価である。更に、半導体素子は、一般に、シングルバンドギャップエネルギー素子である。半導体素子のこのような特性は、バンドギャップエネルギーより小さいエネルギーを有するフォトンが半導体素子に入射するときには、電流が生成されず、バンドギャップエネルギーより大きいエネルギーを有するフォトンが半導体素子に入射するときには、バンドギャップエネルギーに対応する電流のみが生成することを意味している。換言すれば、半導体素子の応答はバンドギャップエネルギーにより制限される。したがって、半導体素子は、バンドギャップより小さいエネルギーを有するフォトンには全く応答せず、バンドギャップエネルギーより大きい入射電磁気エネルギーはエネルギー変換において浪費される。したがって、半導体以外の材料を用いて、高効率の太陽エネルギー変換を達成することが求められている。
【０００４】
半導体に代わる１つの有効な材料は金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ）構造を用いることである１−６。ＭＩＭ構造は、半導体ベースのシステムに比べて製造コストが比較的安価である。金属の自然酸化物は、一般に、絶縁体材料として用いられ、それ故、ＭＩＭ構造は製造することが簡単である。ＭＩＭ素子の特性を改善するためにごく最近である１９９８年に、基本的なＭＩＭ構造を実質的に修正することのない努力がなされた（参考文献６参照）。この分野の最近の研究は、光通信波長の光周波数において信号を検出し且つ混合することが潜在的に可能である素子を提供するＭＩＭ構造を用いるための努力を含んでいる。
【０００５】
ここで、そのような構造は以下の図に一貫して同様の参照番号により示される図を参照するに、図１Ａ乃至１Ｅに注意を向けることとする。図１Ａ乃至１Ｅは参照のためのＭＩＭ素子の動作を示している。簡略化した構造としてのＭＩＭ素子を図２Ａに示している。一般に参照番号１０で示すＭＩＭ素子は、第１金属層１２と第２金属層１４を含み、それらの間に位置する絶縁層１６を備えている。対応するエネルギーバンドプロファイル２０を図１Ｂに示す。エネルギーバンドプロファイル２０は、素子を横切る生成電圧がないＭＩＭ素子１０を貫く距離（ｘ軸２４）の関数として、金属のフェルミレベルの高さと絶縁体の伝導帯エッジ（ｙ軸２２）の高さとを表している。図１Ｃは、電圧がＭＩＭ素子の逆方向に生成されるときの第１修正エネルギーバンドプロファイル３０を示している。電圧は、たとえば、印加外部電圧または電磁エネルギーの入射による誘起電圧により生成されることが可能である。この場合、電子のトンネリング（図示せず）は、矢印３６により示す逆方向に生じることとなる。それとは対照的に、図１Ｄに示すように、電圧がＭＩＭ素子１０の順方向に生成されるとき、第２修正エネルギーバンドプロファイル４０が結果的に得られる。図１Ｄに示す状態においては、電子のトンネリングは、矢印４６により示す順方向において再び生じることとなる。図１Ｅは、ＭＩＭ素子１０についての電圧（ｘ軸５４）の関数として電流（ｙ軸５２）の代表的なＩ−Ｖ曲線５０を示している。Ｉ−Ｖ曲線５０は、ＭＩＭが整流素子として機能することを示している。ＭＩＭ素子は、第１金属層１２と第２金属層１４との間の電子のトンネリングによる清流とエネルギーの検出／変換を提供する。
【０００６】
エネルギー変換の適用において、図１Ａ乃至１Ｅを継続して参照するに、高度の非対称性と非線形性および電流対電圧性能（Ｉ−Ｖ曲線）における十分大きい電流の大きさを達成することがさらに求められている。電流の大きさが小さ過ぎる場合、入射電磁エネルギーは高効率を伴って収集されることはない。必要とされる電流の大きさはＭＩＭ素子の幾何学的構造、酸化物の誘電特性および入射電磁エネルギー量子の大きさと数の関数である。動作ポイントのまわりのＶの正の値（順方向バイアス）とＶの負の値（逆方向バイアス）との間のＩ−Ｖ曲線における高度の非対称性は素子のよりよい整流性能を結果的にもたらす。さらに、入力電磁エネルギーに対する素子の応答性と結合効率に影響を与える素子の微分抵抗は、Ｉ−Ｖ曲線の非線形性に直接関係している。素子への最大エネルギー伝達を結果的にもたらすアンテナにＭＩＭ素子をインピーダンス適合させるために、微分抵抗の最適値が必要とされる。ＭＩＭ素子の微分抵抗はしばしばエネルギー変換の適用において大き過ぎ、したがって、アンテナにインピーダンス適合させるために微分抵抗値を小さくすることが求められている。換言すれば、太陽エネルギー変換の適用においては、Ｉ−Ｖ曲線における高度の非線形性と素子における微分抵抗の最適値有すること、それ故、入力太陽エネルギーに対する素子の高感度を得ることが好ましい。結果的に、素子の電流対電圧特性における高度の非対称性と非線形性がエネルギー変換プロセスにおける高効率を生み出す。現在利用可能であるＭＩＭ素子は、電流対電圧性能における十分低い微分抵抗と共に、十分高度の非対称性と非線形性を提供することができない、それ故、ＭＩＭ素子のエネルギー変換効率が低い。
【０００７】
簡単なＭＩＭ素子の代替として知られている素子は、Ｓｕｅｍａｔｓｕ等（Ｓｕｅｍａｔｓｕ）７とＡｓａｄａ等（Ａｓａｄａ）８により示されたように、付加的な金属層と絶縁層をもつ素子である。ＳｕｅｍａｔｓｕおよびＡｓａｄａによる素子は、ＭＩＭＩＭＩＭ構造を有しており、外側の金属層の間の３つの絶縁層は３つのバリア構造として機能する。絶縁層は、参考文献７に詳細に説明されているエピタキシャル成長法により形成される結晶性絶縁層である。外側の金属層間のバリアの存在の結果、ＭＩＭ素子の単純なトンネリングとは対照的に、適切なバイアス電圧条件下で外側の金属層間において電子の共鳴トンネリングが得られる。電子伝達における共鳴トンネリングメカニズムは非対称性と非線形性を増大させ且つＭＩＭＩＭＩＭ素子についての微分抵抗を減少させる。また、共鳴トンネリングの結果、素子の電流−電圧曲線における特徴的な共鳴ピークが得られ、それにより負の微分抵抗領域が生成され且つ非常に速い応答と高い効率をもつ光学素子の可能性に導く。
【０００８】
しかしながら、ＳｕｅｍａｔｓｕおよびＡｓａｄａのＭＩＭＩＭＩＭ素子は、簡単なＭＩＭ素子よりかなり複雑な素子の明確な不利点を有している。Ｓｕｅｍａｔｓｕの製造方法は、交互のＣｏＳｉ２とＣａＦ２の層を形成するためにコバルトとシリコンそしてカルシウムフッ化物の析出を含む。これらのかなり風変わりな層状の材料が、エピタキシャル成長法に元々備わっている結晶格子のマッチングの制限により選択された。ＣａＦ２の上のコバルトの凝集の問題や複数のフォトリソグラフィおよびＭＩＭＩＭＩＭ層が成長した後の最終素子を形成するために必要とされるいくつかのエッチング段階のような製造方法におけるいくつかの困難について、参考文献７に説明されている。Ｓｕｅｍａｔｓｕはまた、金属と絶縁体の組み合わせのみを用いる共鳴トンネリングから得られる負の微分抵抗を達成するために、少し簡単な二重のバリア構造ではなく三重のバリア構造を用いることが必要であり、それ故、半導体材料を使用することが回避できる。さらに、Ｓｕｅｍａｔｓｕにおいては、個々の金属層および絶縁層の厚さが、共鳴トンネル効果を達成するために、原子層レベルで厳しく制御されなければならないことが要求される。したがって、非線形性と非対称性を増大させる目的は、ＭＩＭＩＭＩＭ金属と絶縁体の組み合わせを用いるＳｕｅｍａｔｓｕおよびＡｓａｄａの素子において達成することが可能であるが、ＭＩＭ構造のような単純さは損なわれている。
【０００９】
半導体素子における共鳴トンネリングを達成するために提案された代替の素子構造は、２つの半導体層間の２つの隣接する絶縁層、すなわちＰａｐｐ等（Ｐａｐｐ）９により開示された半導体−絶縁体−絶縁体−半導体（ＳＩＩＳ）構造を用いることである。Ｐａｐｐは、２つの結晶性絶縁体操が結晶成長技術により２つの異なる絶縁体材料から形成される理論的なＳＩＩＳ構造を説明している。ＳＩＩＳ構造は、ＳｕｅｍａｔｓｕおよびＡｓａｄａの上記のＭＩＭＩＭＩＭ素子において示された共鳴トンネル効果と類似する、負の微分抵抗そして非線形性および非対称性が増大された、負の微分抵抗を持つ共鳴トンネル効果を生成したものであるといわれているが、本発明の出願者の知識では、実際のＳＩＩＳ構造は実施することができなかった。現在の結晶成長技術においては、理論的には、ＳＩＩＳ構造の実施が可能であるが、ＳＩＩＳ素子においては、半導体材料に元々備わっている欠点、すなわち大面積素子におけるコスト効率の欠点が尚も現れる。さらに、Ｓｕｅｍａｔｓｕ（参考文献７参照）は、高速スイッチングを達成するために電子素子の大きさを減少させる近年の傾向は、キャリア濃度の変動による実際的でない半導体ベースの素子を生成させることとなるが、これは、半導体素子がメゾススコピックレジームに減少されるときに生じることについて熟考されている。
【００１０】
以下で理解されるように、本発明は、向上した性能を提供する能力により上述の先行技術を凌いで著しい重要性を提供し、同時に、製造において著しい優位性を有している。このように断言は、本発明を利用することにより、一般に、電磁素子について当て嵌まり、特に太陽エネルギー変換素子について当て嵌まる。
参考文献
１．Ｊ．Ｇ．Ｓｉｍｍｏｎｓ，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｔｕｎｎｎｅｌ  ｅｆｆｅｃｔ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｓｅｐａｒｅｔｅｄ  ｂｙ  ａ  ｔｈｉｎ  ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  ｆｉｌｍ”，  Ｊｏｕｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，３４（１９６３）
２．Ｓ．Ｒ．Ｐｏｌｌａｃｋ  ａｎｄ  Ｃ．Ｅ．Ｍｏｒｒｉｓ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｆｉｌｍｓ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｇｒｏｗｎ  Ａｌ２Ｏ３”，  Ｊｏｕｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．３５，ｎｏ．５（１９６４）
３．Ｌ．Ｏ．Ｈｏｃｋｅｒ，  ｅｔ．ａｌ．，“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｉｘｉｎｇ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｎｄ  ｆａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｍｅｔａｌ−ｔｏ−ｍｅｔａｌ  ｐｏｉｎｔ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｄｉｏｄｅ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．１２，  ｎｏ．１２（１９６８）
４．Ｓ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ＤＣ−ｂｉａｓｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍｅｔａｌ−ｂａｒｒｉｅｒ−ｍｅｔａｌ  ｄｉｏｄｅ”，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．ＱＥ−９，ｎｏ．７（１９７３）
５．Ｂ．Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｋａｌｅ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｔｕｎｎｅｒｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｉｎ  ｏｐｔｉｃｓ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｒｉｎｇ，ｖｏｌ．２４，ｎｏ．２（１９８５）
６．Ｃ．Ｆｕｍｅａｕｘ，ｅｔ．ａｌ．， “Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  Ｎｉ−ＮｉＯ−Ｎｉｄｉｏｄｅｓ  ｆｏｒ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍｉｘｉｎｇ  ｏｆ  ３０ＴＨｚ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ”，Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ３９（１９９８）
７．Ｔ．Ｓｕｅｍａｔｓｕ，  ｅｔ．ａｌ．，”Ｍｅｔａｌ（ＣｏＳｉ２）／Ｉｎｓｕｌａｒｏｒ（ＣａＦ２）ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ“，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ｖｏｌ．３３（１９９４）
８．Ｍ．Ａｓａｄａ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｔｈｅｏｒｉｔｉｃａｌ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｍａｌｌ  ａｒｅａ  Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａ  ｆｏｒ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｐｈｏｔｏｎ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｔｕｎｎｅｒｉｎｇ”，ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ｖｏｌ．４２，  ｎｏ．７−８（１９９８）
９．Ｇ．Ｐａｐｐ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ−ｂａｒｒｉｅｒ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｓｕｐｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｖｏｌ．１７，ｎｏ．３（１９９５）
以上の全ての文献の援用によって発明の説明を一部代替する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下、さらに詳細に説明するように、ここでは、第１絶縁層と第２絶縁層を含む電子トンネル素子について開示する。適用される外部バイアス電圧か、または、たとえば適用電圧がなく太陽エネルギーの入射のために印加される電圧により、またはそれら両者により、所定の電圧が第１非絶縁層および第２非絶縁層を横切って与えられることができるように、第１非絶縁層および第２非絶縁層は互いに間隔を置いて離れている。電子トンネル素子は、第１非絶縁層と第２非絶縁層との間に配置され且つ第１非絶縁層と第２非絶縁層との間の電子の伝達部としての機能を果たす配列をさらに含んでいる。この配列は、その配列における第１アモルファス材料層のみを用いることにより、所定の電圧に関して、電子の伝達における所定値の第１パラメータを結果的に得るように構成された第１アモルファス材料層を含んでいる。しかしながら、本発明の１つの特徴にしたがって、その配列は第２材料層を含み、その第２材料層は、電子の伝達が、少なくとも一部において、トンネリングのメカニズムによる伝達を含むように、そして、第１パラメータが、所定の電圧に関して、第１パラメータの所定値より大きく増加するように、第１アモルファス材料層と協調する。たとえば、第１パラメータは電子伝達において非線形性または非対称性である。
【００１２】
本発明の他の特徴において、第１アモルファス材料層は、電子トンネル素子の配列において単独で用いられる場合、所定電圧に関して、電子の伝達において所定の第２パラメータを結果的に得るが、第２材料層はまた、電子の伝達における第２パラメータが、所定電圧に関して、所定値の第２パラメータより小さくなるように、第１アモルファス材料層と協調する。たとえば、第２パラメータは微分抵抗である。
【００１３】
本発明のさらに他の特徴において、素子に入射する太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するために素子について開示している。この素子は出力を有し、出力において電気エネルギーを提供する。この素子は、所定電圧が第１非絶縁層と第２非絶縁層とに加えられるように、互いに間隔を置いて離れた第１非絶縁層と第２非絶縁層を含む。この素子はまた、第１非絶縁層と第２非絶縁層との間に配置され且つ第１非絶縁層と第２非絶縁層との間の電子の伝達部としての機能を果たす配列を含む。この配列は第１アモルファス材料層を含む。この配列はまた、電子の伝達が、少なくとも一部において、トンネリングのメカニズムによる伝達を含むように、且つ、第１非絶縁層と第２非絶縁層とに入射する太陽エネルギーは出力において電気エネルギーとして引き出されるように、第１アモルファス材料層と協調する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の説明は、当業者が本発明をまねして用いることができるように提供され、そして発明出願のコンテキストおよびその請求項に盛り込まれている。説明する実施形態についての種々の修正が可能であることについて当業者は容易に理解でき、ここでは、一般的な原則が他の実施形態に適用されることが可能である。それゆえ、本発明は示される実施形態に限定されることを意図するものではないが、以下に述べる原則と特徴にしたがう最も広い適用範囲が与えられるべきものである。
【００１５】
ここで、図２Ａを参照するに、本発明にしたがってデザインされた電子トンネル素子が示されている。参照番号１１０で一般に示す電子トンネル素子は、第１非絶縁層１１２と第２非絶縁層１１４を含んでいる。非絶縁体には、たとえば、金属、超伝導体、半導体、半金属、量子井戸および超格子構造を含む。第１非絶縁層１１２と第２非絶縁層１１４は、たとえば、蒸着およびスパッタリングのような従来の方法であって、これらに限定されない方法により、クロムとアルミニウムのような２つの異なる金属から形成されることができる。第１非絶縁層１１２と第２非絶縁層１１４は、所定の電圧をそれらの間に印加することが可能であるように、間隔を置いて離れている。所定電圧は、たとえば、第１非絶縁層１１２と第２非絶縁層１１４に直接印加される外部電源（図示せず）からのバイアス電圧とすることができる。それに代えて、後述するように、たとえば太陽エネルギーにより所定の電圧を誘起させることができる。さらに、所定電圧は、誘起電圧（たとえば、入射する電磁放射）と適用される外部バイアス電圧の組み合わせとすることができる。
【００１６】
係属して図２Ａを参照するに、第１アモルファス層１１６が第１非絶縁層１１２と第２非絶縁層１１４との間に析出される。このような適用の目的のためには、アモルファス材料は、構造的に単結晶でない全ての材料を含むとみなされる。第１アモルファス層１１６は、たとえば、第１絶縁層１１２の自然酸化膜とすることができる。たとえば、クロム層が第１非絶縁層１１２として用いられる場合、クロム層は、第１アモルファス層１１６として機能を果たすためにクロム酸化物の層を形成するように酸化されることができる。他の適切な材料には、二酸化珪素、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、窒化珪素および窒化アルミニウムが含まれるが、これらに限定されるものではない。電子トンネル素子１１０は、第１非絶縁層１１２と第２非絶縁層１１４との間に位置付けられる第２層１１８をさらに含んでいる。第２層１１８は、第１アモルファス層および第２層１１８が第１非絶縁層と第２非絶縁層との間の電子の伝達部として機能するように、第１アモルファス層１１６とは異なり、第１アモルファス層１１６と協調している。第２層１１８を形成する所定の材料には、たとえば、酸化クロム、二酸化珪素、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、窒化珪素、窒化アルミニウムのようなアモルファス絶縁体および単なる空気または真空ギャップが含まれるが、これらに限定されるものではない。好適には、第２層１１８は、素子がエネルギーバンドダイアグラムにおいて非対称を示すように第１アモルファス層より小さいかまたは大きい仕事関数を有する材料から形成される。
【００１７】
素子が第１非絶縁層および第２非絶縁層と第１アモルファス層とからなる場合、素子は先行技術のＭＩＭ素子に実質的に等化であり、電子の伝達において所定の程度の非線形性、非対称性および微分抵抗を示す。しかしながら、第２層１１８を含むことにより、驚いたことにそして以外にも、所定の電圧に関して、所定の程度の非線形性および非対称性に対して非線形性および非対称性の程度を増加させる一方、微分抵抗を減少させることが結果的に得られる。これは非線形性および非対称性を増加させ、微分抵抗における減少は、上述の先行技術のエピタキシャル成長技術または結晶性層を用いる手段に訴えることなく、達成される。このような増加のメカニズムについては、次に図２Ｂ乃至２Ｅを参照して説明する。
【００１８】
図１Ｂと２Ａと関連させて図２Ｂを参照するに、電子トンネル素子１１０に対応するエネルギーバンドプロファイル１２０を模式的に示す。エネルギーバンドプロファイル１２０は、先行技術のＭＩＭ素子のエネルギーバンドプロファイルに示される３つの領域に比較して、電子トンネル素子１１０の４つの層に対応する４つの領域を含む。第２層の存在することは、電子トンネル素子１１０のエネルギーバンドプロファイルにおける変化に寄与する。図１Ｃと１Ｄに関連させて図２Ｃと２Ｄを参照するに、電圧印加によるエネルギーバンドプロファイルの変化を示している。電子トンネル素子１１０のバイアス動作の間に、エネルギーバンドプロファイルはライン１３０のように示されるラインに変化し、これは、ＭＩＭ素子について図１Ｃに示す逆バイアス動作の場合に比較的類似している。図２Ｃに示す状態において、電子が第１非絶縁層と第２非絶縁層との間を移動する第１メカニズムは、矢印１３６により示される逆方向にトンネリングする。しかしながら、順方向のバイアス電流が加えられるとき、図２Ｄの修正エネルギーバンドプロファイルが得られる。この場合、トンネリングは経路１４６および１４６´において生じるが、矢印１４８により示すように、ここでは、共鳴トンネリングが生じる量子井戸領域が存在する。共鳴トンネリングの領域においては、電子の伝達の容易さが突然増加し、それ故、電子トンネル素子１１０の非絶縁層間における電流増加が結果的に得られる。
【００１９】
図２Ｄを継続して参照するに、第２層１１８の追加により、先行技術のＭＩＭ素子のトンネリングプロセスとは対照的に共鳴トンネリングにより素子を通って移動する電子のための経路が提供される。結果的に、本発明の電子トンネル素子に加えられる負の電圧に伴って電流が流れる間に正の電圧が加えられるとき、ＭＩＭ素子に比較して、電子トンネル素子１１０の非絶縁層間により大きい電流が流れる。電子トンネル素子１１０における共鳴トンネリングが存在する結果、それ故、先行技術のＭＩＭ素子に比較して非線形性および非対称性が増加することとなる。
【００２０】
電子トンネル素子１１０に対応する代表的なＩ−Ｖ曲線１５０を図２Ｅに示している。Ｉ−Ｖ曲線１５０は、ダイオードが２つのターミナル電子要素として規定されるとき、電子トンネルそし１１０がダイオードとして機能する。さらに、Ｉ−Ｖ曲線１５０が、共鳴トンネリングが生じる印加電圧領域に対応する共鳴ピーク１５６を含むように示されている。本発明において実際に製造した素子の共鳴トンネリングの現れ方は製造プロセスの正確さに依存する。共鳴ピーク１５６が存在しない場合でさえ、Ｉ−Ｖ曲線１５０は、先行技術のＭＩＭ素子（図１Ｅにおいてみられるように）のＩ−Ｖ曲線に比較して、非線形性および非対称性の度合いが大きく現れる。換言すれば、本発明の電子トンネル素子のＩ−Ｖ曲線の共鳴ピークの存在は、共鳴ピークのまわりの非常に増加した非線形性のような特定の応用における付加的有利点に導く一方、本発明の電子トンネル素子は、アモルファス層の平均化の影響が共鳴ピークを“不鮮明にする”とき、電流対電圧性能における減少した微分抵抗を伴う増加した非対称性と非線形性の目的を達成する。したがって、電子トンネル素子１１０は、複雑な製造方法と風変わりな材料の使用を伴うことなく先行技術のＭＩＭＩＭＩＭ素子のすべての有利点と、上述のような半導体材料の使用における欠点を伴うことなく、先行技術のＳＩＩＳ素子の有利点のすべてと、を本質的に含む。Ｓｕｅｍａｓｕの教示にも拘らずおよびそれとは対照的に、本発明の電子トンネル素子は、先行技術のより複雑な製造プロセスに比較して簡単に製造することができる単純な構造に容易に入手可能な金属と絶縁体を用いて、非線形性と非対称性の増加と素子を通る電子伝達における微分抵抗の減少を達成することができる。
【００２１】
本発明の電子トンネル素子は、ＳｕｅｍａｓｕとＡｓａｄａのＭＩＭＩＭＩＭ素子の性能特性とＭＩＭ素子の単純さを結合させる一方、容易に入手可能である材料を用い且つ半導体の使用を回避することが強調される。２つの隣接する絶縁層があることにより、一見して構造的にはＳＩＩＳ素子に類似しているが、電子トンネル素子１１０における第２層１１８の付加は、製造方法における基本的な困難性（本発明において用いられる酸化および析出技術に対する半導体素子における結晶成長およびドーピング技術）により容易には達成することができない。実際、ＳｕｅｍａｓｕおよびＡｓａｄａは、同じ共鳴トンネル効果を達成するために、エピタキシャル成長技術により形成されるより複雑なＭＩＭＩＭＩＭ構造を用いている。ＰａｐｐのＳＩＩＳ素子とＳｕｅｍａｓｕおよびＡｓａｄａのＭＩＭＩＭＩＭ素子において用いられる結晶成長とエピタキシャル成長は、結晶成長とエピタキシャル成長が、その表現が示す通り、結晶層のみを形成することができるものであるため、ＳＩＩＳ素子またはＭＩＭＩＭＩＭＩＭ素子においてアモルファス絶縁体材料の使用を不可能にしている。実際、ＳＩＩＳ素子またはＭＩＭＩＭＩＭＩＭ素子に用いられることが可能である結晶材料は基板の整合性（ＳＩＩＳ素子において）により、および結晶格子のマッチングの考慮により制限される。すなわち、Ｓｕｅｍａｓｕ、ＡｓａｄａおよびＰａｐｐによる素子に用いられることが可能である特定材料は、これらの素子の製造において用いられる製造方法により制限される。
【００２２】
それとは対照的に、本発明の電子トンネル素子において用いられる絶縁体材料は、スパッタリング、原子層析出、スピン析出および他の容易に利用可能である技術により析出されることができる種々の酸化物および他の材料から選択されることが可能である。たとえば、金属薄膜は析出され、次いで絶縁層を形成するために酸化される。層の密着性は、シランまたは有機材料を含む界面活性剤のような界面活性剤により促進することが可能である。換言すれば、本発明の電子トンネル素子に用いられる材料についての具体的な選択は、製造方法によって選択に制限が加えられるというより、材料の所望の電子的特性のためになされることができる。さらに、本発明の電子トンネル素子における材料の第２層と組み合わされるアモルファス絶縁体には、共鳴トンネリングのような予想のしない有利点を生み出すことを含んでいる。本発明の電子トンネル素子が単純であることにより、材料の選択における自由度と製造の容易さにおけるＳＩＩＳとＭＩＭＩＭＩＭにおいて利用可能でなかった有利点を生み出すことができる。さらに、ＳｕｅｍａｓｕとＡｓａｄａのＭＩＭＩＭＩＭ素子においても且つエピタキシャル成長技術の要求のためにＰａｐｐのＳＩＩＳ素子においても実現可能でない素子におけるアモルファス絶縁体を使用することにより、適合可能な結晶層のみではなくアモルファスを用いることが可能であり、それ故、本発明の電子トンネル素子を先行技術の素子と区別可能であるため、本発明における材料の選択において自由度を加えることが可能である。
【００２３】
本発明の電子トンネル素子における共鳴トンネル効果と増加した非対称性および非線形性と減少した微分抵抗については、出願人が理論と実験とにより確認した。理論的な計算においては、ＭＩＭ素子のために現在利用可能なモデルが、本発明の電子トンネル素子のモデル化を可能にする基本的なアルゴリズムと評価の再分析にしたがって、広範囲に修正された。理論計算の結果は、図２Ａに示される構成の電子トンネル素子において、共鳴トンネリングの存在と減少した微分抵抗を伴う増加した非対称性および非線形性とを確認した。
【００２４】
また、本発明にしたがって実験素子を製造し且つ検査した。原子層析出（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術に基づく薄膜析出方法が第２層の形成において用いられた。スパッタリングのような他の析出技術であって、これに限定されない技術を、ＡＬＤの代わりに用いることが可能である。以下で説明する製造プロセスにおいては、パターニングされた金属層を形成するためにリフトオフ技術を用いている。パターニング金属層の形成はまた、化学エッチング、反応性イオンエッチング、ミリングおよび他の技術により可能である。代表的な素子のための製造プロセスについて要約すると次のようになる。
【００２５】
１．ベーキングの段階と脱イオン（ＤＩ：ｄｅ−ｉｏｎｉｚｅｄ）のための水による洗浄の組み合わせを用いてＭＩＭダイオードとシリコン基板との間の電気的な分離のために１μｍより小さい熱酸化膜を含むシリコンウェーハ基板を十分に洗浄する。
【００２６】
２．アンテナとして機能し且つパッドと接触する（たとえば、素子に電気的にアクセスする）ために、連続的ＡＬＤ絶縁体の形成に対して抵抗する基本導体パッドを形成する。
ａ．導体パッドの形状を規定するためのリソグラフィ
ｉ．シリコンウェーハをデスカムするためのＯ２プラズマによるクリーニングする。
ｉｉ．６０００ｒｐｍにおいて３０秒間プライマ（ＨＭＤＳ）をスピンコートする。
ｉｉｉ．６０００ｒｐｍにおいて３０秒間レジストをスピンコートする（時間とスピン速度は用いる特定のレジストに依存する）。
ｉｖ．レジスト層を９０℃において２５分間プリべークする（時間と温度は用いられる特定のレジストに依存する）。
ｖ．レジスト層を２７秒間露光する（露光時間は用いられる特定のレジストとレジストの厚さに依存する）。
ｖｉ．現像液（４：１の純水（ＤＩ）対現像液の比）用いて所定時間レジストを現像する（現像液は用いられる特定のレジストと現像原液に依存する）。
ｖｉｉ．純粋（ＤＩ）を用いて現像液を洗浄する。
ｖｉｉｉ．レジスト開口部を洗浄するためにＯ２プラズマで洗浄する。
ｂ．耐擦傷性金属として機能を果たすための結合層（膜厚１００ｎｍのクロム）であって、素子を電気的に調べる層の熱蒸着
ｃ．結合層の酸化と連続ＡＬＤ層の凝集を回避するためのコンタクト層（膜厚１００ｎｍの金）の熱蒸着
ｄ．異物を取り除くためのリフトオフ
ｉ．低速のスピナにおいてアセトンを用いてリフトオフを行う。
ｉｉ．アセトン入りの超音波浴（リフトオフを促進する必要がある場合）。
ｉｉｉ．スピナにおいてアセトンを用いてリフトオフを行う。
【００２７】
３．１００ｎｍの厚さのＣｒ層を形成するために段階２（段階２ｃをスキップする）を繰り返すことにより第１非絶縁層を形成する。
【００２８】
４．厚さが４ｎｍより小さい自然酸化膜を形成するために第１非絶縁層を酸化する（清浄なフード内で最低３日間）ことにより第１アモルファス層を形成する。
【００２９】
５．Ａｌ（ＣＨ３）３およびＨ２Ｏ前駆体を用いる原子層蒸着により第２層を形成する。
【００３０】
６．段階３を繰り返すことにより第２非絶縁層を形成する。
【００３１】
上述の製造方法は、ＳｕｅｍａｓｕおよびＡｓａｄａのＭＩＭＩＭＩＭ素子の製造方法に比較して、比較的単純であり且つ自由度があるため、種々の金属および酸化物を用いることが可能である。上述のように、クロム、アルミニウム、ニオブ、タングステン、ニッケル、イットリウムおよびマグネシウム等の種々の金属であって、それらに限定されることのない金属と、存在するアモルファス層上に析出されることができる上述のような種々の金属の酸化物または他の酸化物は本発明の電子トンネル素子に用いるために適切である。結果的に得られる素子は、減少した微分抵抗を伴って増加した非対称性と非線形性、並びにＩ−Ｖ曲線における共鳴ピークの存在を確認するために測定された。銀や金等の金属の付加的コンタクト層がクロムコンタクト層の上部に析出される段階２ｃに、特に注意が向けられる。この方法においては、原子層析出により析出される絶縁体が連続層を形成しない間に、コンタクトパッドは尚もアクセス可能である。さらに、電子ビームのアシストによるリソグラフィのような他のリソグラフィ方法を、上述のフォトリソグラフィに代えて用いることが可能である。また、段階１において、アンテナと電磁エネルギーとの間の結合は、上述のような蒸着および析出方法に供することが可能であり且つ平坦であるガラス、石英および他の非導電性材料のような選択可能な基板の選択肢により変化されることが可能である。さらに、素子の基板側からの電磁放射の結合が所望される場合、入射電磁放射に対して透明な基板がシリコンウェーハ基板の代わりに用いられることが可能である。
【００３２】
ここで、図３Ａおよび３Ｂを参照するに、太陽エネルギー変換機２００が上述の本発明の応用例として開発されたものである。太陽エネルギー変換機２００は、上述の層１１２および１１４それぞれに対応する第１非絶縁層２１２および第２非絶縁層２１４を含んでいる。ボックス２１５により示される第１非絶縁層２１２と第２非絶縁層２１４との間の重なり合っている部分は、上述の電子トンネル素子を効果的に形成する。電子トンネル素子の構造は図３Ｂにより詳細に示されており、ライン３Ｂ−３Ｂに沿って得られる図３Ａの太陽エネルギー変換器２００の断面を示している。上述の層１１６および１１８にそれぞれ対応する第１アモルファス絶縁層２１６および第２層２１８は、本発明の電子トンネル素子を結果的に得るために第１非絶縁層および第２非絶縁層の重なり合っている位置２１５に位置付けられている。
【００３３】
図３Ａに示すように、第１非絶縁層および第２非絶縁層は、重なり合っている部分に入射する太陽エネルギーの焦点を合わせるためのボータイアンテナの形態にさらに形作られている。このボータイアンテナは、たとえば、近紫外から近赤外までの周波数範囲に亘る電磁放射を受け入れることにより広帯域の太陽エネルギーに対して太陽エネルギー変換器２００の感度を増加させている。太陽エネルギー２２０が太陽エネルギー変換器２００に入射するとき、太陽エネルギー２２０は上述の所定電圧としての機能を果たすために第１非絶縁層と第２絶縁層との間の電圧に変換される。方向性電流が、本発明の電子トンネル素子についてのＩ−Ｖ曲線にしたがって重なり合った部分に確立される。このようにして、入射太陽エネルギーは電気整流作用により電気エネルギーに変換される。電気エネルギーは、次いで、太陽エネルギー変換器からの出力において引き出される。
【００３４】
図３Ａおよび３Ｂの太陽エネルギー変換器は、先行技術の素子の不利点を回避すると共に、ＭＩＭＩＭＩＭおよびＳＩＩＳ素子の性能の有利点を示す。すなわち、太陽エネルギー変換器２００は、２つの非絶縁層からなる簡単な構造であって、２つの異なる層がそれらの間に位置付けられることにより分離される、構造に基づいており、２つの異なる層の１つはアモルファス絶縁体である。自由度のある製造プロセスのために、太陽エネルギー変換器２００に用いられる的確な材料を、クロム、アルミニウム、チタン、ニオブおよびシリコン並びにそれらの自然酸化膜のような広範囲に及ぶ種々の容易に入手可能な材料から選択することが可能であり、半導体材料、結晶性絶縁体またはＣｏＳｉ２のような風変わりな材料のみを用いることに限定されるものではない。また、バンドギャップエネルギーによる応答に制限される選考技術の半導体素子を異なり、本発明の太陽エネルギー変換器は広範囲に及ぶ入射電磁エネルギーに対して感度を有する。実際には、太陽の電磁スペクトルの範囲内の周波数に感度のあるように適切にデザインされたアンテナを用いて、本発明の太陽エネルギー変換器のエネルギー変換効率の上限は、アンテナにより電子トンネル素子に供給されるエネルギーの１００％に達する。さらに、図３Ａおよび３Ｂの太陽エネルギー変換器は、アンテナ構造により受け取られる太陽エネルギー以外の外部バイアス電圧の適用を必要としない。本発明の貸与エネルギー変換器が外部バイアスの適用を必要としないという事実は、外部バイアス電圧の適用を必要とする先行技術の素子とは対照的である。
【００３５】
ここで、図４を参照するに、本発明の電子トンネル素子の変形を示している。図４は、第１非絶縁層１２と第２非絶縁層１４との間に位置付けられる超格子構造３１０を含む電子トンネル素子３００を示している。超格子構造３１０は薄い絶縁層３１４により分離された複数の薄い非絶縁層３１２を含む。各々の薄い非絶縁層３１２は、たとえば、金属の１つの単層からなり、各々の薄い絶縁層３１４は、たとえば、絶縁体の７つの単層からなる。聴講し構造３１０は電子の伝達経路を提供し、それ故、第１非絶縁層と第２絶縁層との間の電流を増加させる。その結果、電子トンネル素子のデザインにおける大きい自由度が、たとえば、第１非絶縁層か第２非絶縁層のどちらかに対応するエネルギーバンドの高さを修正するために適切な材料を選択することにより素子の非線形性を増加させるような素子の性能を促進させるために、利用可能となる。
【００３６】
各々の上述の実施形態は特定のそれぞれのオリエンテーションを有する種々の構成要素を伴って示されているが、本発明は、広範囲に及ぶ種々の位置と相互のオリエンテーションの状態で備えられる種々の構成要素からなる多様な特定の構成に対応することが可能である。さらに、種々の構成要素の代わりにまたはそれらに付加的に適切で等化なものを用いることが可能であり、そのような代わりのまたは付加的な構成要素の機能と使用は当業者には周知であるとして捉えられ、本発明の適用範囲内にあるとして認識されるものである。たとえば、上述の素子において用いられる適切な材料は変更されることが可能であり、改良された電流−電圧性能の同じ結果を得ることが可能である。また、太陽エネルギー変換の応用において、広帯域の太陽エネルギーを受け取るために適切な他のアンテナ形状を、ボータイアンテナに代えて用いることが可能である。
【００３７】
以上の説明において共鳴トンネリングから得られた有利点に加えて、量子力学的反射によりさらに促進されることが可能である。量子力学的反射は、ポテンシャルエネルギーの変化の結果として起こり、本発明の理論計算において計算される。これらの反射は、絶縁体のバンドエッジの上下に電子がトンネリングするための結果である。１層を上回る本発明の多層システムの実質的に異なるバリアおよび有効質量プロファイルの結果として、ＭＩＭダイオードの非対称性は共鳴トンネリングのない状態においてさえ促進される。
【００３８】
さらに、酸化物における伝導帯の傾きは電場の強さに比例し、電場の強さはまた酸化物における誘電率に依存する。したがって、所望の誘電率をもつ酸化物を用いることにより、酸化物領域各々を横切る電場の強さまたは電圧降下を調整することが可能である。各々の層における電場の強さを制御することにより、供給電圧の関数として共鳴エネルギーレベルの位置を調整することが可能である。
【００３９】
さらに、素子のＩ−Ｖ曲線の非対称性は、複数層のシステムにおける電場の方向を考慮することにより、さらに促進することができる。トンネリングにおいて、電場の方向は、トンネリング確立の大きさにおける役割を果たすことはない。しかしながら、電子が酸化物を通って全体的な距離をトンネリングする場合、恐らく衝突により、電場の特性は衝突後の電子の方向に影響を与える。その方向、大きさおよび酸化物層における電場分布は、電極の仕事関数およびフェルミレベルと酸化物層の誘電率とを選択することにより制御されることが可能である。
【００４０】
大雑把には、ここでの説明により、所定の電圧が供給されることが可能であるように離された第１非絶縁体と第２絶縁体を含む電子トンネル素子について開示した。また、この素子は、非絶縁層間における電子の伝達として機能する、非絶縁層間に配置された配列を含む。この配列において第１アモルファス材料層のみを用いることにより、所定の電圧について電子の伝達部においてパラメータの所定値をもたらすように、この配列は第１アモルファス材料層を含んでいる。この配列は第２アモルファス材料層をさらに含み、電子の伝達部の少なくとも一部において、トンネリングにより伝達されるように、そして所定の電圧に関するパラメータが、パラメータの所定値以上に増加されるように、第１アモルファス材料層と協調している。
【００４１】
本発明および本発明による優位性は、太陽エネルギー変換素子以外の電磁素子向けの応用において利用されることができることは理解されるであろう。そのような応用としては、２００１年５月２１日に出願された本発明の同時係属の米国特許出願公開第０９／８６０，９７２号明細書に開示されているように、そして、その明細書において文献の援用によって発明の説明を一部代替するが、電磁周波数スペクトル全ての検出器、エミッタ、変調器、リピータおよびトランジスタを含むが、それらに限定されるものではない。さらに、外部のバイアス電圧を、Ｉ−Ｖ曲線における所望領域において素子を動作させるためにこれらの応用における非絶縁層に加えることが可能である。したがって、本発明の例は、例示としてみなされるべきであって、それらに限定されるものではなく、また、本発明は、以上の詳細な説明に限定されるべきではなく、本発明の請求項の範囲内で変更されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造を用いた先行技術の素子を示す図である。
【図１Ｂ】ＭＩＭ素子を横切って加えられた種々の電圧に対する図１ＡのＭＩＭ素子のエネルギーバンドプロファイルを模式的に示すグラフである。
【図１Ｃ】ＭＩＭ素子を横切って加えられた種々の電圧に対する図１ＡのＭＩＭ素子のエネルギーバンドプロファイルを模式的に示すグラフである。
【図１Ｄ】ＭＩＭ素子を横切って加えられた種々の電圧に対する図１ＡのＭＩＭ素子のエネルギーバンドプロファイルを模式的に示すグラフである。
【図１Ｅ】図１ＡのＭＩＭ素子についての代表的な電流−電圧曲線を示す図である。
【図２Ａ】本発明にしたがってデザインされた電子トンネル素子を示す図である。
【図２Ｂ】電子トンネル素子を横切って加えられた種々の電圧に対する図２Ａの電子トンネル素子のエネルギーバンドプロファイルを模式的に示すグラフである。
【図２Ｃ】電子トンネル素子を横切って加えられた種々の電圧に対する図２Ａの電子トンネル素子のエネルギーバンドプロファイルを模式的に示すグラフである。
【図２Ｄ】電子トンネル素子を横切って加えられた種々の電圧に対する図２Ａの電子トンネル素子のエネルギーバンドプロファイルを模式的に示すグラフである。
【図２Ｅ】図２Ａの電子トンネル素子についての代表的な電流−電圧曲線を示す図である。
【図３Ａ】本発明にしたがってデザインされた、電子トンネル素子に入射する太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するための電子トンネル素子であって、電子トンネル素子の金属層の有効な構成を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの電子トンネル素子の断面図であって、ここでは電子トンネル素子の金属層間に配置された付加的構造を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図３Ａ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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