專(zhuān)利名稱(chēng)：納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的量子器件，更具體的說(shuō)是異質(zhì)結(jié)隧穿 二極管，特別是指具有正向?yàn)閹чg隧穿、反向?yàn)榧{米硅晶粒量子化能 級(jí)間的順序共振隧穿特性的納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管。
技術(shù)背景隧道二極管可應(yīng)用于低功率微波電路的本機(jī)振蕩器、鎖相電路， 反向隧道二極管時(shí)可用于小信號(hào)整流、微波檢頻和混頻電路。氫化納米晶硅(nc-Si:H)薄膜，由嵌在氫化非晶形(a-Si:H)組織中的納米 硅晶粒構(gòu)成，由于它在微電子和光電子集成方面的應(yīng)用潛力，引起人 們廣泛關(guān)注。如半導(dǎo)體學(xué)報(bào)1998年23期《納米硅薄膜二極管中的共 振隧穿現(xiàn)象》介紹的納米硅異質(zhì)結(jié)二極管觀察到反向電流-電壓(I-V) 曲線電流成階梯形，可知載流子共振隧穿，但是卻沒(méi)有出現(xiàn)正向偏壓 下半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)帶間隧穿引起的微分負(fù)阻現(xiàn)象，因此這種納米硅異質(zhì) 結(jié)二極管還不是雙向隧穿二極管，因此限制了這種二極管應(yīng)用領(lǐng)域。 另外這種納米硅異質(zhì)結(jié)二極管反向擊穿電壓只有-10 V，耐壓能力不強(qiáng)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，而提供一種同時(shí)具有正向偏 壓下半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)帶間隧穿引起的微分負(fù)阻效應(yīng)和反向偏壓下多個(gè)納米硅晶粒量子化能級(jí)間的順序共振隧穿現(xiàn)象的納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管。本發(fā)明進(jìn)一步目的是使反向擊穿電壓得到極大提高，達(dá)到-37 V 以上。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括單晶硅基片、沉積于 單晶硅基片上的納米硅薄膜、電極，該納米硅薄膜包括嵌在氫化非晶 形硅組織中的納米硅晶粒。所述納米硅薄膜和構(gòu)成納米硅/單晶硅異 質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征是所述的納米硅晶粒粒徑為4-6nm，且不同納米硅晶 粒的粒徑大小相接近。晶粒太小時(shí)，納米硅薄膜晶態(tài)率低，電阻大， 不利于導(dǎo)電；晶粒太大時(shí)，納米硅量子化能級(jí)差別小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)共振 隧穿。進(jìn)一步設(shè)置是所述的單晶硅基片摻雜濃度在1018 - 1019 cm'3之間。進(jìn)一步設(shè)置是所述的納米硅薄膜是采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相 沉積(PECVD)制成。進(jìn)一步設(shè)置是所述的納米硅薄膜摻磷，其制備時(shí)的氣相摻雜質(zhì) 為三氫化磷，該三氫化磷相對(duì)制備納米硅薄膜時(shí)使用的氣相硅垸的比 例為體積比0.2 vol%-1.0 vol%。本設(shè)置避免納米硅薄膜的電阻過(guò)小或 過(guò)大，保證一定的反向電壓加在納米硅薄膜上。進(jìn)一步設(shè)置是所述的納米硅薄膜和晶體硅基片之間還有一層非 晶形高電阻緩沖層，其厚度為8nm-12nm。本設(shè)置緩沖層當(dāng)作大電阻 用，太厚時(shí)二極管需要高電壓才能導(dǎo)通；太薄時(shí)二極管容易擊穿。進(jìn)一步設(shè)置是以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N/P+型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 進(jìn)一步設(shè)置是所述的納米硅薄膜厚度為為45 nm-55 nm。 進(jìn)一步設(shè)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。本設(shè)置采用這種電 極一方面是確保接觸良好穩(wěn)定，另一方面是為了避免出現(xiàn)金屬/半導(dǎo) 體的肖特基(Schottky)勢(shì)壘，破壞了納米硅/晶體硅的異質(zhì)結(jié)的電特 性。本發(fā)明的有益效果是不僅具有正向偏壓下異質(zhì)結(jié)帶間隧穿引起 的微分負(fù)阻效應(yīng)，同時(shí)還具有反向偏壓下多個(gè)納米硅晶粒量子化能級(jí) 間的順序共振隧穿現(xiàn)象，另外反向擊穿電壓可達(dá)到-37 V以上，耐壓 能力大為提高。下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步介紹。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明納米硅/單晶硅橫截面的高分辨透射電鏡照片 圖3本發(fā)明的正向I-V特性曲線圖 圖4本發(fā)明的反向I-V特性曲線圖 圖5本發(fā)明納米硅量子化能級(jí)的順序共振隧穿示意圖具體實(shí)施方式
如圖1-圖2所示的本發(fā)明實(shí)施方式1 (制備樣品Sample 1)，以 P+型單晶硅1 (c-Si)為基片，該基片1的P型載流子濃度在1018-1019咖-3之間，該基片1上沉積一層摻磷的n型納米硅(nc-Si:H)薄膜2，其厚度為45nm-55 nm，本實(shí)施方式優(yōu)選采用50 nm，該摻磷納 米硅薄膜2，其制備時(shí)的氣相摻雜質(zhì)為磷烷(三氫化磷)，該磷烷相 對(duì)制備納米硅薄膜時(shí)使用的氣相硅烷(四氫化硅)比例為體積比0.2 vol%，該納米硅薄膜包括嵌在氫化非晶形硅組織中的納米硅晶粒，該 納米硅晶粒粒徑為4-6 nm，且不同納米硅晶粒的粒徑大小基本一致， 如圖2所示，所述納米硅薄膜和單晶硅構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 所述的納米硅薄膜和晶體硅基片之間還有一層非晶形緩沖層4，其厚 度約為8-12nm，該非晶形緩沖層4可視為一個(gè)大的串聯(lián)電阻，工作 時(shí)緩沖層可分擔(dān)絕大部分的反偏壓并減少降落在含納米晶粒的納米 硅薄膜(nc-Si:H)層的電壓，這樣可以有效增加了隧穿二極管的反向 擊穿電壓?；图{米硅薄膜上分別設(shè)有Au/Cr電極3和Au/Ge電 極3。如圖3所示在77K下檢測(cè)到該納米硅異質(zhì)結(jié)隧穿二極管具有在 正偏壓下帶間隧穿引起的微分負(fù)阻現(xiàn)象。即組成異質(zhì)結(jié)兩邊的納米硅 和單晶硅達(dá)到一定程度的摻雜水平時(shí)，費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入納米硅一側(cè)的導(dǎo) 帶和單晶硅一側(cè)的價(jià)帶。在一定的偏置電壓下，納米硅一側(cè)的導(dǎo)帶占有態(tài)電子通過(guò)足夠窄的禁帶進(jìn)入單晶硅一側(cè)的價(jià)帶允許空態(tài)，形成所 謂的帶間隧穿電流。隨著偏置電壓增大到一定值時(shí)，納米硅一側(cè)的導(dǎo) 帶電子占有態(tài)與單晶硅一側(cè)的價(jià)帶允許空態(tài)對(duì)應(yīng)的數(shù)量最大，帶間隧 穿電流達(dá)到最大值。如果偏置電壓繼續(xù)增大，納米硅一側(cè)的導(dǎo)帶與單 晶硅一側(cè)的價(jià)帶錯(cuò)開(kāi)，電子占有態(tài)與允許空態(tài)對(duì)應(yīng)的數(shù)量減少，導(dǎo)致 帶間隧穿電流下降，也就是微分負(fù)阻效應(yīng)，即一定電壓范圍內(nèi)，電壓 增大電流反而減少，即dl/dV〈0。
具體實(shí)施方式
2 (制備樣品Sample 2):和實(shí)施方式1不同在于 所述的摻磷納米硅薄膜制備時(shí)的氣相摻雜質(zhì)為磷烷，該摻雜質(zhì)磷烷相 對(duì)制備納米硅薄膜時(shí)使用的硅垸比例為體積比0.5 vol%。
具體實(shí)施方式
3 (制備樣品Sample 3):和實(shí)施方式1不同在于 所述的摻磷納米硅薄膜制備時(shí)的氣相摻雜質(zhì)為磷垸，該摻雜質(zhì)磷烷相 對(duì)制備納米硅薄膜時(shí)使用的硅烷比例為體積比1.0 vol%。本發(fā)明的制作工藝是選用約100pm厚、平均載流子濃度在1018 -l(^cn^之間的單片拋光p+型晶體硅(111)晶片作為基片材料。 首先，在102(TC下襯底晶片通過(guò)加熱氧化法制備約100nm厚的SiO2 層。用光刻蝕技術(shù)將Si02層蝕刻出系列30 pmx30 pm方形窗口，再 用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)在這些窗口里淀積一 層新鮮的n型nc-Si:H薄膜，然后采用光刻蝕技術(shù)去除方形窗口外的 nc-Si:H膜，只保留窗口底部約50 nm厚的摻磷nc-Si:H膜。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(gè)歐姆接觸電極。該摻磷的nc-Si:H薄膜是用高 真空PECVD設(shè)備按以下參數(shù)制備的，襯底(晶體硅基片)溫度423±1 K (溫度適中，確保薄膜生長(zhǎng)的質(zhì)量和厚度方便控制)，負(fù)直流偏壓 為100±2 V，電容耦合射頻(RF)為13.56 MHz，射頻功率密度為0.30 Wxm—2 (較低的功率密度改善薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量)，反應(yīng)氣壓為100±5 Pa,反應(yīng)氣體PH3/SiH4體積百份比0.2 vol。/。或者0.5 vol。/?；蛘?.0 vol%。用上述工藝制備的本發(fā)明，如圖2所示納米硅薄膜里的納米晶粒粒徑為4-6nm，且不同納米硅晶粒的粒徑大小基本一致，使得納米晶 粒具有量子點(diǎn)特征，另外納米硅薄膜和晶體硅基片之間還有一層非晶 形緩沖層，其厚度約為8-12nm，該非晶形緩沖層可視為一個(gè)大的串 聯(lián)電阻，再者，可分擔(dān)絕大部分的反偏壓和減少降落在含納米晶粒的 納米硅薄膜(nc-Si:H)層的電壓，這樣可以有效增加了隧穿二極管的 反向擊穿電壓，并在二極管反向工作時(shí)達(dá)到使納米硅晶粒量子化能級(jí) 之間出現(xiàn)順序共振隧穿現(xiàn)象的條件。如圖3所示的本發(fā)明的正向I-V 特性曲線，其中Sample 1曲線表示PH3/SiH4=0.2 volM制備的樣品； Sample 2曲線表示PH3/SiH4=0.5 voP/。制備的樣品；Sample 3曲線表 示PH3/SiH4-1.0vol。/。制備的樣品。在施加小的外加正向電壓(0.1 V 附近)時(shí)，電流屬于帶間隧穿電流It，隨著正向電壓的進(jìn)一步增加到 谷值電壓，電流減小到過(guò)剩電流Ix，出現(xiàn)明顯的微分負(fù)阻現(xiàn)象，由半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)帶間隧穿引起。Ix可視為載流子由導(dǎo)帶通過(guò)禁帶中的若干定域隙態(tài)到價(jià)帶的多級(jí)隧穿；當(dāng)外加偏壓高于谷值電壓時(shí)電流隨著外 加電壓指數(shù)規(guī)律增加，為擴(kuò)散電流(熱電流)Ith。如圖4所示本發(fā)明 的反向I-V特性曲線，可以看到反向擊穿電壓達(dá)到37V,并且電流成階 梯形。其中Sample 1曲線表示PH3/SiH4=0.2 vol。/。制備的樣品；Sample 2曲線表示PH3/SiH4=0.5 vol。/。制備的樣品；Sample 3曲線表示 PH3/SiH4=1.0 vol。/。制備的樣品，在外加負(fù)電壓從0到約-13 V范圍內(nèi)，反向漏電流的產(chǎn)生歸因于少數(shù)載流子穿過(guò)空間電荷區(qū)內(nèi)的耗盡層勢(shì) 壘所致。在反向偏壓從-13 V至-37 V時(shí)， 一定反向偏壓下的電極電勢(shì)與垂直異質(zhì)結(jié)方向上的多個(gè)納米晶粒的量子化能帶對(duì)準(zhǔn)，電極注入的電子順序共振隧穿通過(guò)多個(gè)納米晶粒的量子化能帶再進(jìn)入單晶硅 襯底，此時(shí)電壓增加電流不變，引起反向電流臺(tái)階。當(dāng)繼續(xù)增大反向偏壓，增大的電極電勢(shì)與又納米晶粒的高能級(jí)量子化能帶^r準(zhǔn)，電子 順序共振隧穿通過(guò)高能級(jí)的量子化能帶，形成更高的反向電流臺(tái)階， 如圖5所示。再進(jìn)一步增大反向偏壓，在納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)耗 盡層中的非晶形緩沖層區(qū)域發(fā)生雪崩效應(yīng)，使電流急劇增加，淹沒(méi)了nc-Si:H層中的電子共振隧穿導(dǎo)致的效果。
權(quán)利要求
1. 一種納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管，包括單晶硅基片、電極、沉積于單晶硅基片上的納米硅薄膜，該納米硅薄膜包括嵌在氫化非晶形硅組織中的納米硅晶粒，所述納米硅薄膜和構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征是所述的納米硅晶粒粒徑為4-6nm，且不同納米硅晶粒的粒徑大小相接近。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管，其特征是 所述的單晶硅基片的平均載流子濃度在1018 - 1(Tcm-s之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管，其特 征是所述的納米硅薄膜是采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管，其特征是 所述的納米硅薄膜摻磷，其制備時(shí)的氣相摻雜質(zhì)為三氫化磷，該 三氫化磷相對(duì)制備納米硅薄膜時(shí)使用的氣相硅烷的比例為體積比 0.2vol%-1.0vol%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管， 其特征是所述的納米硅薄膜和晶體硅基片之間還有一層非晶形 高電阻緩沖層，其厚度為8nm-12nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管，其特征是 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N/P+型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或4或6所述的納米硅異質(zhì)結(jié)隧穿二極管， 其特征是所述的納米硅薄膜厚度為45 nm-55 nm。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管，其特征是: 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。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種納米硅異質(zhì)結(jié)雙向隧穿二極管，包括單晶硅基片、電極、沉積于單晶硅基片上的納米硅薄膜，該納米硅薄膜包括嵌在氫化非晶形硅組織中的納米硅晶粒，所述納米硅薄膜和構(gòu)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征是所述的納米硅晶粒粒徑為4-6nm，且不同納米硅晶粒的粒徑大小相接近。本發(fā)明不僅具有正向偏壓下帶間隧穿引起的微分負(fù)阻效應(yīng)，同時(shí)還具有反向偏壓下多個(gè)納米晶粒的量子化能級(jí)的順序共振隧穿現(xiàn)象，另外反向擊穿電壓得到極大提高，達(dá)到-37V以上。
文檔編號(hào)H01L29/88GK101257050SQ20081009186
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者韋文生 申請(qǐng)人:韋文生