專利名稱：納米硅微波開關(guān)二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是關(guān)于一種半導體二極管，更特別的是關(guān)于一種納米硅微波開關(guān)二極管。
現(xiàn)有的二極管是利用單晶硅(C-Si)或單晶砷化鎵(C-GaAs)材料的同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。不僅其工藝是在大于800℃的高溫下形成，其特征參數(shù)大體如下反向擊穿電壓Vb小于60伏，反向漏電流Ir為幾微安(μA)或毫安(mA)量級，正反向整流比r≈103～105，反向開關(guān)時間tr大于4納秒，工作溫度范圍低于150℃。近十年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，國外曾報道過非晶硅/單晶硅、多晶硅/單晶硅以及多孔硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)，它們的工藝雖然也是在低溫(200～300℃)下完成，但其基本特征參數(shù)為反向擊穿電壓Vb小于10伏，反向漏電流為微安或毫安量級，整流比r小于103，大部分為緩變結(jié)構(gòu)，其電流輸運機制為熱激發(fā)或空間電荷(SCLC)機制。而納米硅薄膜中細微晶粒具有量子點特性，其傳導機制屬一種異質(zhì)結(jié)量子點隧穿機制，用其制成半導體器件會有完全新的功能特性。
本實用新型的目的是提供一種以隧穿機制為主要傳導機制的使用納米硅薄膜材料制成的納米硅微波開關(guān)二極管。
本實用新型的目的可通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)。
本實用新型的納米硅微波開關(guān)二極管，以低電阻率單晶硅為基片，包括先在基片上外延一薄層(5～10微米厚)同質(zhì)外延層，外延層的電阻率高于硅基片，然后在其上方沉積一層摻雜納米硅薄膜，構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于納米硅膜的禁帶寬度值比單晶硅的禁帶寬度值大，故在其交界面形成異質(zhì)結(jié)。在納米硅薄膜中摻雜，如摻磷或摻硼等，目的是控制二極管的電導率及導電類型。
在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本實用新型納米硅微波開關(guān)二極管，是以P型低電阻率單晶硅為基片，先外延一層(5～10微米厚)同質(zhì)外延層，然后再其上方沉積一層摻磷的納米硅薄膜，構(gòu)成N+/P型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本實用新型納米硅微波開關(guān)二極管，以N型低電阻率單晶硅為基片，先外延一層(5～10微米厚)同質(zhì)外延層，然后再在其上方沉積一層摻硼的納米硅薄膜，構(gòu)成了P+/N型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
所述納米硅薄膜是具有細微晶粒，粒徑2～6納米，晶體所占體積比(53±5)％，薄膜室溫電阻率200～500歐姆/。納米硅薄膜中的細微晶粒之間構(gòu)成了一定的聯(lián)系，不再像微晶硅薄膜中的晶粒是分散、互相弧立。在納米硅薄膜中，大量的微晶粒之間構(gòu)成界面層，其厚度約為～1納米。在界面層中硅原子的排列是無序和松散的，完全不同于微晶粒內(nèi)硅原子的整齊排列。所以納米硅薄膜是由50％左右的晶體硅及另50％左右的非晶硅(界面組織)所構(gòu)成的兩相結(jié)構(gòu)。納米硅薄膜中的細微晶粒已具有量子點特性，從而使納米硅膜以及所制成的微波開關(guān)二極管的電輸運過程是一種新型的量子隧穿機制。該異質(zhì)結(jié)二極管具有極好的溫度穩(wěn)定性?？稍谛∮诨虻扔?50℃溫度范圍內(nèi)使用。
本實用新型的優(yōu)點在于納米硅微波開關(guān)二極管具有優(yōu)越的伏—安特性，擊穿電壓Vb為30～70伏，反向漏電流Ir僅為納安(nA)量級；具有極好的溫度穩(wěn)定性，可在不大于250℃溫度范圍內(nèi)使用；在偏壓V≤±4伏范圍內(nèi)，整流比r約在101～106范圍內(nèi)；在Ir等于10毫安，Ir等于-100毫安下，所測出的反向開關(guān)時間tr不大于1.5納秒(ns)；納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)內(nèi)的電輸運是以隧穿機制為主，且服從陡變結(jié)電容公式。
下面結(jié)合說明書附圖及實施例對本實用新型作進一步的闡述。


圖1是本實用新型的納米硅/單晶硅微波開關(guān)二極管示意圖。
圖2是本實用新型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)能帶簡圖。
圖3是本實用新型的I-V特性曲線圖。
圖4是本實用新型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管反向開關(guān)時間測試圖。
圖5是本實用新型的納米硅異質(zhì)結(jié)低濕I-V曲線圖。
圖6是本實用新型的納米硅異質(zhì)結(jié)反向伏—安隨濕度特性圖。
圖7是本實用新型的C-2-V特性曲線圖。
圖8是本實用新型的反向電流隨溫度變化曲線圖。
在圖1至8中符號1代表單晶硅、符號2代表納米硅薄膜、符號3代表、符號11代表同質(zhì)外延層、符號12代表。
在本實用新型中，N+/P型(P+/N型)納米硅/單晶硅微波開關(guān)二極管，如圖1所示，以P型(N型)電阻率約等于10-2-2Ω.cm的低電阻率單晶硅1并附厚約5～10微米電阻率約1Ω.cm同質(zhì)外延層11為基片，在其上方沉積一層摻磷(N型)或摻硼(P型)的納米硅薄膜2，構(gòu)成了N+/P型或P+/N型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
本實用新型可采用下述方法來制備預先用半導體中熱氧化方法生成約0.5微米厚的二氧化硅層，再使用半導體平面工藝光刻技術(shù)制成一排排整齊的窗口，其面積可任意選定，如100×100平方微米、50×50平方微米或30×30平方微米等，然后，在超高真空PECVD沉積設(shè)備中生長一層厚約1微米摻磷(或摻硼)納米硅薄膜，再利用平面工藝將小窗口外的納米硅薄膜腐蝕掉，僅留下窗口內(nèi)的納米硅薄膜作為器件的工作層。最后，使用濺射法或熱蒸發(fā)法形成上、下電極，應在不高于420℃溫度條件下進行短時操作。上、下電極要形成歐姆連接，形成圖1所示的器件結(jié)構(gòu)。摻磷(或摻硼)納米硅薄膜是在超高真空PECVD沉積設(shè)備中形成，襯底溫度為230±30℃，射頻功率50～80瓦，直流負偏壓在150～200伏，生長時的反應氣壓PR約0.7～1.0乇，反應氣體比SiH4/SiH4+H2約1％，PH3/SiH4或B2H6/SiH4約2×10-2。生成膜厚度可由沉積時間來控制，這樣生成的摻磷(或摻硼)納米硅薄膜的室溫電阻率用四探針法測得大約200～500Ω.cm。
用上述方法制得的納米硅微波開關(guān)二極管，其納米硅薄膜具有細微晶粒，粒徑2～6納米，晶粒所占體積比(53±5)％。納米硅薄膜中的細微晶粒已具有量子點特性，從而使納米硅膜以及所制成的異質(zhì)結(jié)二極管的電輸運過程是一種新型的量子隧穿機制，如圖2所示。納米硅的禁帶寬度(Eg為1.8～1.9ev)比單晶硅的禁帶寬度(Eg為1.15ev)大，故在其交界面上形成異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)結(jié)具有新穎的二極管整流和檢波作用，如圖3所示。反向擊穿電壓可達Vb≥60伏，為硬擊穿。在擊穿之前，反向漏電流Ir僅為納安(nA)量級，在偏壓V≤±4伏范圍內(nèi)，整流比r約在104～106范圍內(nèi)，如圖4所示。在IF＝10毫安，IR＝-100毫安下，測出的反向開關(guān)時間tr不大于1.5納秒(ns)，如圖5所示。本實用新型在反向電壓-10伏以內(nèi)曲線為一直線，說明納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)為一相當好的陡變結(jié)，服從陡變結(jié)電容公式為C＝[gNdNAεCεnε0/2(εCNd+εnNA)(Vb-V)]-1/2，如圖6所示。在室溫及其以下溫度范圍內(nèi)反向漏電流Ir幾乎不隨溫度變化，顯示出一種隧穿輸運過程。即納米硅微波開關(guān)二極管的電輸運過程，具有不同于一般二極管的熱激發(fā)輸送機制。這是本實用新型優(yōu)于其它半導體二極管的根本原因。
權(quán)利要求1.一種納米硅微波開關(guān)二極管，其特征在于以低電阻率單晶硅為基片，在其上方沉積一層摻雜納米硅薄膜，構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅微波開關(guān)二極管，其特征在于以P型低電阻率單晶硅為基片，在其上方沉積一層摻磷的納米硅薄膜，構(gòu)成了N+/P型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅微波開關(guān)二極管，其特征在于以N型低電阻率單晶硅為基片，在其上方沉積一層摻硼的納米硅薄膜，構(gòu)成了P+/N型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅微波開關(guān)二極管，其特征在于所述的納米硅薄膜具有細微晶粒，粒徑為2～6納米，晶粒所占體積比(53±5)％，薄膜室溫電阻率200～500Ω/。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4所述的納米硅微波開關(guān)二極管，其特征在于這種異質(zhì)結(jié)二極管具有如下性能a、可在250℃以下溫度范圍正常使用；b、反向開關(guān)時間tr不大于1.5納秒(ns)；c、反向漏電流Ir為納安(nA)量級，具有低的噪音系數(shù)；d、反向擊穿電壓Vb≥60伏，為硬擊穿；e、在V≤±4伏范圍內(nèi)，整流比r＝104～106。
專利摘要本實用新型涉及一種納米硅微波開關(guān)二極管,是以低電阻率單晶硅為基片,在其上方沉積一層摻雜納米硅薄膜,構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該納米硅微波開關(guān)二極管具有優(yōu)越的伏一安特性,擊穿電壓V
文檔編號H01L29/861GK2503609SQ01219780
公開日2002年7月31日 申請日期2001年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月23日
發(fā)明者何宇亮, 王因生 申請人:何宇亮, 李愛剛