专利名称：纳米硅异质结二极管的制作方法
技术领域：
本实用新型纳米硅异质结二极管涉及一种二极管。属于电器元件。
背景技术：
现有二极管涉及利用单晶硅(C-Si)或单晶砷化铝(C-GaAs)材料的同质或异质结构构成的，其工艺是在大于800℃的高温下形成的，特征参数大体如下反向击穿电压Vb小于20伏，反向漏电流Ir为几微安(μA)或毫安(mA)量级，正反向整流比r≈103-106，反向开关时间tr大于2纳秒，工作温度范围低于150℃；近十年来，随着科学技术的发展，国外曾报道过非晶硅/单晶硅、多晶硅/单晶硅以及多孔硅/单晶硅异质结构，它们的工艺虽然也是在低温(200-300℃)下完成，但其基本特征参数为反向击穿电压Vb小于10伏，反向漏电流为微安或毫安量级，整流比r小于103，大部分为缓变结构，其电流输运机制为热激发或空间电荷(SCLC)机制。而纳米硅薄膜中细微晶粒具有量子点特性，其传导机制属一种异质结量子点隧穿机制，用其制成半导体器件会有完全新的功能特性，为此，本实用新型提出一种新的技术方案。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种以隧穿机制为主要传导机制的使用纳米硅薄膜材料制成的纳米硅异质结二极管。
本实用新型的目的可通过下述技术方案实现一种纳米硅异质结二极管，以低电阻率单晶硅为基片，特点是在基片上方沉积一层掺杂纳米硅薄膜，构成纳米硅/单晶硅异质结构。由于纳米硅薄膜的禁带宽度值比单晶硅的禁带宽度值大，故在其交界面形成异质结，在纳米硅薄膜中掺杂，如掺磷、硼或掺砷等，是为了控制二极管的导电率及导电类型。
在上述技术方案基础上，本实用新型纳米硅异质结二极管，以P型低电阻率单晶硅为基片，在其上方沉积一层掺磷的纳米硅薄膜，构成了N+/P型的纳米硅/单晶硅异质结构。
在上述技术方案基础上，本实用新型纳米硅异质结二极管，以N型低电阻率单晶硅为基片，在其上方沉积一层掺硼的纳米硅薄膜，构成了P+/N型的纳米硅/单晶硅异质结构。
在上述技术方案基础上，本实用新型纳米硅异质结二极管，以P型低电阻率单晶硅为基片，在其上方沉积一层掺砷的纳米硅薄膜，构成了N+/P型的纳米硅/单晶硅异质结构。
所述纳米硅薄膜具有细微晶粒，粒径2-10纳米，晶粒所占体积比50％左右。薄膜室温电阻率200-500Ω·cm。纳米硅薄膜中的细微晶粒之间构成了一定的联系，不再像微晶粒薄膜中的晶粒是分散、互相弧立。在纳米硅薄膜中，大量的微晶粒之间构成界面层，其厚度约为1nm。在界面层中硅原子的排列是无序和松散的，完全不同于微晶粒内硅原于的整齐排列。所以纳米硅薄膜是由50％左右的晶体硅及另外50％左右的非晶硅(界面组织)所构成的两项结构。纳米硅薄膜中的细微晶粒已具有量子点特性，从而使纳米硅膜以及所制成的该异质结二极管的电输运过程是一种新型的量子隧穿机制。该异质结二极管具有极好的温度稳定性。可在小于或等于250℃温度范围内使用。
本实用新型优越性在于纳米硅异质结二极管有优越的伏一安特性，击穿电压Vb不小于60伏，反向漏电流Ir仅为纳安(nA)量级；具有极好的温度稳定性，可在不大于250℃温度范围内使用；在偏压V≤+4伏范围内，整流比r约在103-105范围内；在IF等于10毫安，IR等于-100毫安下，所测出的反向开关时间tr不大于1.5纳秒；纳米硅/单晶硅异质结内的电输运是以隧穿机制为主，且服从陡变结电容公式。
附图1，纳米硅/单晶硅异质结二极管示意图。
附图2，纳米硅/单晶硅异质结能带简图。
附图3，I-V特性曲线。
附图4，纳米硅/单晶硅异质结二极反向开关时间测试图。
附图5，C-2-V特性曲线。
附图6，反向电流随时间变化曲线。
实施例1，N+/P型(P+/N型)纳米硅/单晶硅异质结二极管，如图1纳米硅/单晶硅异质结二极管示意图所示，以P型(N型)电阻率约等于10-2Ω·cm的低电阻率单晶硅1并附厚约10微米电阻率约1Ω·cm同质外延层11为基片，在其上方沉积一层掺磷(N型)或掺硼(P型)或掺砷的纳米硅薄膜2，构成了N+/P型或P+/N型的纳米硅/单晶硅异质结构。
本实施例可采用下述制造工艺预先用半导体中热氧化方法生成约0.5微米厚的二氧化硅层，再使用半导体平面工艺刻制成一排排整齐的窗口，其面积可任意选定，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沉积设备生长一层厚约1微米掺磷(或掺硼和砷)纳米硅薄膜，再利用平面工艺将小窗口外的纳米硅薄膜腐蚀掉，仅留下窗口内的纳米硅薄膜作为器件的工作层，最后，使用溅射法或热蒸发法形成上、下电极，应在不高于420℃温度条件下进行短时操作，上、下电极要形成欧姆连接，形成附图1所示的器件结构。掺磷(或掺硼和砷)纳米硅薄膜是在一定工艺条件下形成，是在超高真空的PECVD沉积设备中形成，衬底温度230+30℃温度范围内，射频功率50-80瓦，直流负偏压在150-200伏，生长时的反应气压PR约0.7-1.0乇，反应气体比SiH4/SiH4十H2约1％，PH3/SiH4或B2H6/SiH4约2×10-2，生成膜厚度可由沉积时间来控制。这样生成的掺磷(或掺硼和砷)纳米硅薄膜的室温电阻率用四探针法测得大约200-500Ω·cm。
用上述方法制得的纳米硅异质结二极管，其纳米硅薄膜具有细微晶粒，粒径2-10纳米，晶粒所占体积比50％左右。纳米硅薄膜中的细微晶粒已具有量子点特性，从而使纳米硅膜以及所制成的该异质结二极管的电输运过程是一种新型的量子隧穿机制。如图2纳米硅/单晶硅异质结能带简图所示，纳米硅的禁带宽度(Eg1.8-1.9eV)值比单晶硅的禁带宽度(Eg1.15ev)大，故在其交界面上形成异质结，这种异质结具有新颖的二极管整流和检波作用；如图3I-V特性曲线所示，反向击穿电压可达Vb≥60伏，为硬击穿，在击穿之前，反向漏电流Ir仅为纳安(nA)量级，在偏压V≤+4伏范围内，整流比r约在103-105范围内；如图4纳米硅/单晶硅异质结二极管反向开关时间测试图所示，在IF＝10毫安，IR＝-100毫安下，测出的反向开关时间tr＜1.5纳秒；如图5，C-2-V特性曲线所示，本实用新型在反向电压-10伏以内曲线为一直线，说明纳米硅/单晶硅异质结为一相当好的陡变结，服从陡变结电容公式C＝[gNdNAεcεnε0/2(εeNd十εnNA)(VD-V)]-1/2从图中直线的截距获得其扩散势VD＝3.0伏，远大于其它半导体质结扩散势VD＝0.5-0.9伏。如图6反向电流随时间变化曲线所示，在室温及其以下温度范围内反向漏电流Ir几乎不随温度变化，显示出一种隧穿输运过程，即纳米硅异质结二极管的电输运过程，具有不同于一般二极管的热激发输送机制，这是本实用新型优于其它半导体二极管的根本原因。
权利要求1，一种纳米硅异质结二极管，包括单晶硅，其特征在于以低电阻率单晶硅为基片，在其上方沉积一层掺杂纳米硅薄膜，构成为纳米硅/单晶硅异质结构。
2，根据权利要求1所述的纳米硅异质结二极管，其特征在于以P型低电阻率单晶硅为基片，在其上方沉积一层掺磷的纳米硅薄膜，构成了N+/P型的纳米硅/单晶硅异质结构。
3，根据权利要求1所述的纳米硅异质结二极管，其特征在于以N型低电阻率单晶硅为基片，在其上方沉积一层掺硼的纳米硅薄膜，构成了P+/N型的纳米硅/单晶硅异质结构。
4，根据权利要求1所述的纳米硅异质结二极管，其特征在于所述纳米硅薄膜具有细微晶粒，粒径2-10纳米，薄膜室温电阻率200-500Ω·cm。
5，根据权利要求1所述的纳米硅异质结二极管，其特征在于以P型低电阻率单晶硅为基片，在其上方沉积一层掺砷的纳米硅薄膜，构成了N+/P型的纳米硅/单晶硅异质结构。
专利摘要本实用新型纳米硅异质结二极管涉及一种二极管,包括单晶硅,特点是以低电阻单晶硅为基片,在其上方沉积一层掺杂纳米硅薄膜,构成纳米硅/单晶硅异质结构。优越性在于纳米硅异质结二极管具有优越的伏－安特性,击穿电压不小于60伏,反向漏电流仅为纳安量级;具有极好的温度稳定性,可在不大于250℃温度范围内使用;反向开关时间不大于1.5纳秒;纳米硅/单晶硅异质结内的电输运是以隧穿机制为主,且服从陡变结电容公式。
文档编号H01L29/66GK2484645SQ0126511
公开日2002年4月3日 申请日期2001年9月27日 优先权日2000年9月27日
发明者刘明, 何宇亮, 刘宏, 刘晓晗, 成鑫华 申请人:上海维安新材料研究中心有限公司