專利名稱：納米硅異質結反向二極管及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電子器件，具體的說是一種反向二極管，更具體地說是納米硅異質結反向二極管。
背景技術：
上世紀80年代以來，國內外各研究機構的研究結果表明納米硅薄膜(nc-Si:H)是由氫化非晶形硅(a-Si:H)組織以及嵌在氫化非晶形硅組織中的納米硅晶粒構成，其中納米硅晶粒具有量子點特征，它的傳導機制已不同于半導體材料，而是一種異質結量子點隧穿機制，這使它具有比非晶硅(a-Si)高出幾千倍的電導率，且電導率與溫度的關系較弱。由于納米硅薄膜(nc-Si:H)的結構特征使它具有一系列不同于單晶硅(c-Si)、非晶硅(a-Si:H)和微晶硅薄膜(mc-Si:H)的物性，它在電子器件方面的應用前景也日益引起人們的廣泛興趣。
反向二極管，即小偏壓下“反”向電流大于“正”向電流的二極管，具有優(yōu)越的頻率響應以及對溫度、輻照效應不明顯等特性。反向二極管應用于小信號低功率電路的過壓保護、整流、微波檢波、混頻。如施敏著的《半導體器件物理》(電子工業(yè)出版社1987年出版)第九章第三節(jié)介紹，但是這種反向二極管其反向擊穿電壓偏低，常溫下只有-4.7V。
發(fā)明內容
本發(fā)明的第一個目的是應用納米硅薄膜制成一種納米硅異質結反向二極管。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種納米硅異質結反向二極管的制造方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種納米硅異質結反向二極管，其特征在于包括單晶硅基片、電極、沉積于單晶硅基片上的納米硅薄膜，所述納米硅薄膜和單晶硅基片構成納米硅/單晶硅異質結構，所述單晶硅基片的載流子濃度不小于2.4×1020cm-3，所述納米硅薄膜的載流子濃度為2.0×1019cm-3-1.0×1020cm-3。
進一步設置是所述單晶硅基片的平均電阻率為0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm。
進一步設置是以單晶硅為基片為P+型摻雜，所述納米硅薄膜為N+型，二者構成N+/P+型的納米硅/單晶硅異質結構。
進一步設置是所述的N+型納米硅薄膜為磷摻雜。
進一步設置是所述納米硅薄膜厚度為1μm。
進一步設置是所述的電極是歐姆連接于單晶硅基片的Au/Cr電極，以及歐姆連接于納米硅薄膜的Au/Ge電極。
為實現(xiàn)本發(fā)明的第二個目的，本發(fā)明的技術方案是一種納米硅異質結反向二極管的制備工藝，其特征在于包括以下步驟 a、選擇厚度約100μm、平均電阻率為0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm、載流子濃度不小于2.4×1020cm-3、單面磨光的P+型單晶硅為襯底； b、在1293K溫度下，對單晶硅襯底熱氧化出1μm厚SiO2層，在該SiO2層上蝕刻出方孔； c、用等離子體化學氣相沉積法，以硅烷中通入磷烷作為混合反應源氣，在PECVD反應室內在襯底方孔中生長沉積出摻磷的納米硅薄膜，其工藝參數(shù)是 PECVD反應室極限真空1.0×10-4Pa 混合反應源氣摻雜比PH3/SiH4＝8.0vol％-12.0vol％ 薄膜生長時選用射頻源RF頻率f＝13.56MHZ 薄膜生長RF射頻功率密度0.6W/cm2 薄膜生長襯底溫度Ts＝523K 薄膜生長負直流偏壓Vb＝-150V 薄膜生長時反應氣體壓力P＝1乇 d、將方孔外層的納米硅薄膜通過光刻剔除，在方孔內留下約1μm厚的摻磷納米硅薄膜； e、分別在襯底和薄膜上用電子束蒸發(fā)技術制成電極； 最終形成結構為電極/(N+)nc-Si:H/(P+)c-Si/電極的反向二極管。
進一步設置是在襯底和薄膜上分別選用金鉻合金與金鍺合金為原料用電子束蒸發(fā)技術制成電極，其工藝參數(shù)是 電子束蒸發(fā)室極限真空1.0×10-4Pa 燈絲直流電流I＝10A 襯底溫度Ts＝473K 電極薄膜的厚度0.5μm。
本發(fā)明的有益效果是利用納米硅薄膜制成反向二極管，相比較過去其它材料制成的反向二極管，其反向擊穿電壓提高了約2V，使反向二極管工作電壓區(qū)間得到明顯地提高。
下面結合說明書附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。
說明書附圖
圖1本發(fā)明產品結構示意圖 圖2本發(fā)明具體實施方式
1檢測的正向I-V曲線 圖3本發(fā)明具體實施方式
1檢測的反向I-V曲線 圖4本發(fā)明產品在正向偏壓下Ip所對應的能帶圖 圖5本發(fā)明產品在正向偏壓下Iv所對應的能帶圖 圖6本發(fā)明產品在正向偏壓下Ih所對應的能帶圖 圖7本發(fā)明產品在反向偏壓下所對應的能帶圖
具體實施例方式 如圖1所述的本發(fā)明產品的具體實施方式
1，選用平均電阻率為0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm的P+型單晶硅(c-Si)為基片1，本實施例的基片的平均電阻率優(yōu)選0.0006Ω·cm，該單晶硅基片的摻雜的載流子濃度優(yōu)選為2.4×1020cm-3，當然本發(fā)明單晶硅基片的摻雜的載流子濃度還可以大于2.4×1020cm-3，該基片上沉積一層厚度為1μm的摻磷的N+型納米硅薄膜(nc-Si:H)2，該納米硅薄膜(nc-Si:H)的載流子濃度為2.0×1019cm-3，所述納米硅薄膜和單晶硅構成納米硅/單晶硅異質結構，基片和納米硅薄膜上分別設有Au/Cr電極和Au/Ge電極3。
如圖1所述的本發(fā)明產品的具體實施方式
2，與實施方式1不同的是所述納米硅薄膜(nc-Si:H)的載流子濃度為1.0×1020cm-3。
如圖1所述的本發(fā)明產品的具體實施方式
3，與實施方式1不同的是所述納米硅薄膜(nc-Si:H)的載流子濃度為6.0×1019cm-3。
本發(fā)明的制備方法的實施方式1選用約100μm厚、平均電阻率為0.0006Ω·cm，載流子濃度NA為2.4×1020cm-3的單片拋光p+型晶體硅(100)晶片作為基片材料。首先，在1293K溫度下，對襯底基片熱氧化法制備約1μm厚的SiO2層。用光刻蝕技術將SiO2層蝕刻出系列30μm×30μm方孔，再用等離子體化學氣相沉積(PECVD)技術在這些窗口里淀積一層新鮮的摻磷nc-Si:H薄膜，然后采用光刻蝕技術去除方形窗口外的nc-Si:H膜，只保留窗口底部約1μm厚的摻磷納米硅薄膜(nc-Si:H)。該摻磷的納米硅薄膜(nc-Si:H)是用高真空PECVD反應室內，按以下工藝參數(shù)制備的 PECVD反應室極限真空1.0×10-4Pa 混合反應源氣摻雜比PH3/SiH4＝10vol％ 薄膜生長時選用射頻源RF頻率f＝13.56MHZ 薄膜生長RF射頻功率密度0.6W/cm2 薄膜生長襯底溫度Ts＝523K 薄膜生長負直流偏壓Vb＝-150V 薄膜生長時反應氣體壓力P＝1乇(mmHg) 最后，用電子束蒸發(fā)法在晶體硅基片和納米硅薄膜(nc-Si:H)上分別蒸Au/Cr和Au/Ge合金作為兩個歐姆接觸電極，其工藝參數(shù)是 電子束蒸發(fā)室極限真空1.0×10-4Pa 燈絲直流電流I＝10A 襯底溫度Ts＝473K 電極薄膜的厚度0.5μm 本發(fā)明的制備方法的實施方式2，與制備方法的實施方式1不同的是制備納米硅薄膜時，在PECVD反應室內的混合反應源氣摻雜比PH3/SiH4＝8vol％。
本發(fā)明的制備方法的實施方式3，與制備方法的實施方式1不同的是制備納米硅薄膜時，在PECVD反應室內的混合反應源氣摻雜比PH3/SiH4＝12vol％。
本發(fā)明公開的納米硅薄膜反向二極管，在78K至室溫之間觀察到正向I-V曲線中的微分負電阻和反向I-V曲線中的齊納擊穿現(xiàn)象。系列電學實驗證實這種機構是半導體異質結反向二極管。
如圖2所示的正向I-V曲線，小的外加正向電壓下，電流屬于帶間隧穿產生的電流Ip，其隧穿機制如圖4所示；隨著正向外加電壓增加至谷值電壓，電流稱為過剩電流Iv，可視為載流子由導帶通過禁帶中的若干定域隙態(tài)到價帶的多級隧穿，其機制如圖5所示；當正外加偏壓高于谷值電壓Vv，測試電流I值增加同時偏離指數(shù)規(guī)律，這被稱為駝峰電流Ih，可歸因于納米硅薄膜內帶尾定域態(tài)之間的跳躍傳導所致；隨著外加偏壓的進一步增加，電流隨外加電壓按指數(shù)規(guī)律增加，為擴散電流或熱電流Ith，其機制如圖6所示。總的正項電流可表達為 I＝It+Ix+Ih+Ith 在反向偏壓下，通過提高反偏壓從0V到-6.5V，反向電流IR單調增加，如圖3所示。此外，在絕對值相同小的電壓下，IR的值遠遠大于正向隧穿電流，而且IR具有小的正溫度系數(shù)?；谶@些觀測，可認為是(n+)nc-Si:H/(p+)c-Si異質結在外加電壓作用下的場發(fā)射一齊納擊穿所致，其機制如圖7所示。在一定的溫度下，利用下列表達式來模擬反向I-V特性的數(shù)量關系 IR＝B1exp(|VR|/B2) 其中B1和B2分別為偏置電壓VR的慢變函數(shù)。在圖3中，在相同的電壓下，反向電流IR隨溫度的升高而增加，這是由于隧穿幾率具有正的溫度系數(shù)所致。隨著反向電壓進一步增加至高于-6.5V時，反向電流急劇增加。6.5V數(shù)值與4Eg/q值相當，其中Eg＝1.72eV為非晶硅禁帶寬度的值，q是基本電荷。在nc-Si:H薄膜內，納米硅晶粒被非晶氫化硅(a-Si:H)材料所包圍。因此，nc-Si:H材料的能隙被認為與a-Si:H的能隙相當。當此二極管工作時，在nc-Si:H薄膜上的載流子濃度低于單晶硅基片上的載流子濃度，主要的電勢降落被nc-Si:H薄膜層所承載。因此，當反向電壓超過-6.5V時，反向電流IR的急劇增加，是二極管的nc-Si:H層被齊納擊穿引起的。其中-6.5V可認為是此反向二極管的擊穿電壓。
權利要求
1.一種納米硅異質結反向二極管，其特征在于包括單晶硅基片、電極、沉積于單晶硅基片上的納米硅薄膜，所述納米硅薄膜和單晶硅基片構成納米硅/單晶硅異質結構，所述單晶硅基片的載流子濃度不小于2.4×1020cm-3，所述納米硅薄膜的載流子濃度為2.0×1019cm-3-1.0×1020cm-3。
2.根據權利要求1所述的納米硅異質結反向二極管，其特征在于所述單晶硅基片的平均電阻率為0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm。
3.根據權利要求1或2所述的納米硅異質結反向二極管，其特征在于所述的單晶硅基片為P+型摻雜，所述納米硅薄膜為N+型摻雜，二者構成N+/P+型的納米硅/單晶硅異質結構。
4.根據權利要求3所述的納米硅異質結反向二極管，其特征在于所述的N+型納米硅薄膜為磷摻雜。
5.根據權利要求4所述的納米硅異質結反向二極管，其特征在于所述納米硅薄膜厚度為1μm。
6.根據權利要求5所述的納米硅異質結反向二極管，其特征在于所述的電極是歐姆連接于單晶硅基片的Au/Cr電極，以及歐姆連接于納米硅薄膜的Au/Ge電極。
7.一種納米硅異質結反向二極管的制備方法，其特征在于包括以下步驟
a、選擇厚度約100μm、平均電阻率為0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm、載流子濃度不小于2.4×1020cm-3、單面磨光的P+型單晶硅為襯底；
b、在1293K溫度下，對單晶硅襯底熱氧化出1μm厚SiO2層，在該SiO2層上蝕刻出方孔；
c、用等離子體化學氣相沉積法，以硅烷中通入磷烷作為混合反應源氣，在PECVD反應室內在襯底方孔中生長沉積出摻磷的納米硅薄膜，其工藝參數(shù)是
PECVD反應室極限真空1.0×10-4Pa
混合反應源氣摻雜比PH3/SiH4＝8.0vol％-12.0vol％
薄膜生長時選用射頻源RF頻率f＝13.56MHZ
薄膜生長RF射頻功率密度0.6W/cm2
薄膜生長襯底溫度Ts＝523K
薄膜生長負直流偏壓Vb＝-150V
薄膜生長時反應氣體壓力P＝1乇
d、將方孔外層的納米硅薄膜通過光刻剔除，在方孔內留下約1μm厚的摻磷納米硅薄膜；
e、分別在襯底和薄膜上用電子束蒸發(fā)技術制成電極；最終形成結構為電極/(N+)nc-Si:H/(P+)c-Si/電極的反向二極管。
8.根據權利要求7所述的納米硅異質結反向二極管的制備方法，其特征在于在襯底和薄膜上分別選用金鉻合金與金鍺合金為原料用電子束蒸發(fā)技術制成電極，其工藝參數(shù)是
電子束蒸發(fā)室極限真空1.0×10-4Pa
燈絲直流電流I＝10A
襯底溫度Ts＝473K
電極薄膜的厚度0.5μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米硅異質結反向二極管及其制備方法，包括單晶硅基片、電極、沉積于單晶硅基片上的納米硅薄膜，所述納米硅薄膜和單晶硅基片構成納米硅/單晶硅異質結構，所述單晶硅基片的載流子濃度不小于2.4×1020cm-3，所述納米硅薄膜的載流子濃度為2.0×1019cm-3-1.0×1020cm-3。本發(fā)明實現(xiàn)了利用納米硅薄膜制成反向二極管，并相較過去其他材料制成的反向二極管，其反向擊穿電壓提高了約2V，使反向二極管工作電壓區(qū)間得到明顯地提高。
文檔編號H01L21/329GK101114678SQ20071002427
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月26日 優(yōu)先權日2007年7月26日
發(fā)明者韋文生 申請人:韋文生