專利名稱：納米硅異質(zhì)結(jié)二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型納米硅異質(zhì)結(jié)二極管涉及一種二極管。屬于電器元件。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有二極管涉及利用單晶硅(C-Si)或單晶砷化鋁(C-GaAs)材料的同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，其工藝是在大于800℃的高溫下形成的，特征參數(shù)大體如下反向擊穿電壓Vb小于20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≈103-106，反向開關(guān)時間tr大于2納秒，工作溫度范圍低于150℃；近十年來，隨著科學(xué)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(dǎo)機制屬一種異質(zhì)結(jié)量子點隧穿機制，用其制成半導(dǎo)體器件會有完全新的功能特性，為此，本實用新型提出一種新的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種以隧穿機制為主要傳導(dǎo)機制的使用納米硅薄膜材料制成的納米硅異質(zhì)結(jié)二極管。
本實用新型的目的可通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種納米硅異質(zhì)結(jié)二極管，以低電阻率單晶硅為基片，特點是在基片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)。由于納米硅薄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、硼或摻砷等，是為了控制二極管的導(dǎo)電率及導(dǎo)電類型。
在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本實用新型納米硅異質(zhì)結(jié)二極管，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)。
在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本實用新型納米硅異質(zhì)結(jié)二極管，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)。
在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本實用新型納米硅異質(zhì)結(jié)二極管，以P型低電阻率單晶硅為基片，在其上方沉積一層摻砷的納米硅薄膜，構(gòu)成了N+/P型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
所述納米硅薄膜具有細微晶粒，粒徑2-10納米，晶粒所占體積比50％左右。薄膜室溫電阻率200-500Ω·cm。納米硅薄膜中的細微晶粒之間構(gòu)成了一定的聯(lián)系，不再像微晶粒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1nm。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)硅原于的整齊排列。所以納米硅薄膜是由50％左右的晶體硅及另外50％左右的非晶硅(界面組織)所構(gòu)成的兩項結(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該異質(zhì)結(jié)二極管的電輸運過程是一種新型的量子隧穿機制。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。
本實用新型優(yōu)越性在于納米硅異質(zhì)結(jié)二極管有優(yōu)越的伏一安特性，擊穿電壓Vb不小于60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103-105范圍內(nèi)；在IF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；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。


附圖1，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管示意圖。
附圖2，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)能帶簡圖。
附圖3，I-V特性曲線。
附圖4，納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極反向開關(guān)時間測試圖。
附圖5，C-2-V特性曲線。
附圖6，反向電流隨時間變化曲線。
實施例1，N+/P型(P+/N型)納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管，如圖1納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管示意圖所示，以P型(N型)電阻率約等于10-2Ω·cm的低電阻率單晶硅1并附厚約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)或摻砷的納米硅薄膜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)。
本實施例可采用下述制造工藝預(yù)先用半導(dǎo)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(dǎo)體平面工藝刻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，在超高真空的PECVD沉積設(shè)備生長一層厚約1微米摻磷(或摻硼和砷)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(yīng)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，形成附圖1所示的器件結(jié)構(gòu)。摻磷(或摻硼和砷)納米硅薄膜是在一定工藝條件下形成，是在超高真空的PECVD沉積設(shè)備中形成，襯底溫度230+30℃溫度范圍內(nèi)，射頻功率50-80瓦，直流負偏壓在150-200伏，生長時的反應(yīng)氣壓PR約0.7-1.0乇，反應(yīng)氣體比SiH4/SiH4十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(或摻硼和砷)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異質(zhì)結(jié)二極管，其納米硅薄膜具有細微晶粒，粒徑2-10納米，晶粒所占體積比50％左右。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該異質(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納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)能帶簡圖所示，納米硅的禁帶寬度(Eg1.8-1.9eV)值比單晶硅的禁帶寬度(Eg1.15ev)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3I-V特性曲線所示，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103-105范圍內(nèi)；如圖4納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管反向開關(guān)時間測試圖所示，在IF＝10毫安，IR＝-100毫安下，測出的反向開關(guān)時間tr＜1.5納秒；如圖5，C-2-V特性曲線所示，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(dāng)好的陡變結(jié)，服從陡變結(jié)電容公式C＝[gNdNAεcεnε0/2(εeNd十εnNA)(VD-V)]-1/2從圖中直線的截距獲得其擴散勢VD＝3.0伏，遠大于其它半導(dǎo)體質(zhì)結(jié)擴散勢VD＝0.5-0.9伏。如圖6反向電流隨時間變化曲線所示，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，即納米硅異質(zhì)結(jié)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(dǎo)體二極管的根本原因。
權(quán)利要求1，一種納米硅異質(zhì)結(jié)二極管，包括單晶硅，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)成為納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅異質(zhì)結(jié)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所述的納米硅異質(zhì)結(jié)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所述的納米硅異質(zhì)結(jié)二極管，其特征在于所述納米硅薄膜具有細微晶粒，粒徑2-10納米，薄膜室溫電阻率200-500Ω·cm。
5，根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅異質(zhì)結(jié)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砷的納米硅薄膜，構(gòu)成了N+/P型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型納米硅異質(zhì)結(jié)二極管涉及一種二極管,包括單晶硅,特點是以低電阻單晶硅為基片,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)。優(yōu)越性在于納米硅異質(zhì)結(jié)二極管具有優(yōu)越的伏－安特性,擊穿電壓不小于60伏,反向漏電流僅為納安量級;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;反向開關(guān)時間不大于1.5納秒;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。
文檔編號H01L29/66GK2484645SQ0126511
公開日2002年4月3日 申請日期2001年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月27日
發(fā)明者劉明, 何宇亮, 劉宏, 劉曉晗, 成鑫華 申請人:上海維安新材料研究中心有限公司