专利名称：纳米硅超高速开关管的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种半导体二极管，更特别的是关于一种纳米硅超高速开关二极管。
背景技术：
现有的二极管是利用单晶硅(C-Si)或单晶砷化镓(C-GaAs)材料的同质或异质结结构构成。不仅其工艺是在大于800℃的高温下形成，其特征参数大体如下反向漏电流Ir为几微安(μA)或毫安(mA)量级，正反向整流比r≈103～105，反向开关时间tr大于4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，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征，其传导机制属于一种异质结量子点隧穿机制。用它制成半导体器件会有完全新的功能特点。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种纳米硅超高速开关管，这种开关管以量子隧穿机制为主要传导机制，使用纳米硅薄膜材料制作。
本实用新型的目的可通过下述技术方案实现。
本实用新型纳米硅超高速开关二极管，以低电阻率单晶硅为基片(ρ～1×10-2-5×10-3Ω·cm)，包括先在基片上外延一薄层(5-10微米厚)同质外延层，其电阻率高于单晶硅基片(ρ～1-3Ω·cm)，在二氧化硅绝缘层上刻出一排排小窗口，在小窗口内沉积一层纳米硅薄膜，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，如掺磷或掺硼等，目的是控制二极管的电导率及导电类型。
在上述技术方案基础上，本实用新型纳米硅超高速开关二极管，是以P型低电阻率单晶硅为基片，先外延一层(5-10微米厚)同质外延层，然后在其上方沉积一层掺磷纳米硅薄膜，构成n+/P型的纳米硅/单晶硅异质结构。
在上述技术方案基础上，本实用新型纳米硅超高速开关二极管，以N型低电阻率单晶硅为基片，先外延一层(5-10微米厚)同质外延层，然后在其上方沉积一层掺硼纳米硅薄膜，构成p+/N型的纳米硅/单晶硅异质结构。
所述纳米硅薄膜是具有细微晶粒，粒径2～8纳米，晶体所占体积比(53±5)％，薄膜室温电阻率200～500欧姆/□。纳米硅薄膜中细微晶粒之间构成一定的联系，不再像微晶硅薄膜中的晶粒是分散且互相孤立。在纳米硅薄膜中，大量的微晶粒之间构成界面，其厚度约为1纳米。在界面层中硅原子的排列是无序的和松散的，完全不同于微晶粒内硅原子的整齐排列。所以纳米硅薄膜是由50％左右的晶体硅及另50％左右的非晶硅(界面组织)所构成的两相结构。纳米硅薄膜中的细微晶粒已具有量子点特性，从而使纳米硅薄膜以及所制成的超高速开关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250℃温度范围内使用。
本实用新型的优点在于纳米硅超高速开关二极管具有优越的伏-安特性，击穿电压Vb为120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250℃以下温度范围内使用；在偏压V≤±4伏范围内，整流比r约在104～106范围；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1.0纳秒(ns)；纳米硅/单晶硅异质结构内的电输运是以量子隧穿机制为主，且服从陡变结电容公式。
图1是本实用新型的纳米硅/单晶硅超高速开关二极管示意图。
图2是本实用新型的纳米硅/单晶硅异质结能带图。
图3是本实用新型的I-V特性曲线图。
图4是本实用新型的纳米硅/单晶硅异质结二极管反向开关时间测试图。
图5是本实用新型的纳米硅/单晶硅异质结低温I-V曲线图。
图6是本实用新型的纳米硅/单晶硅异质结反向伏-安随温度特性图。
图7是本实用新型的C-2-V特性曲线图。
图8是本实用新型的反向电流随温度变化曲线图。
具体实施方式
在图1至8中符号1代表单晶硅基片，符号2代表纳米硅薄膜，符号3’、3代表上、下欧姆电极，用于连接引线，符号11代表同质外延层，用于提高工作电压，一般可以将电压从几伏提高到几十伏，符号12代表扩散保护环，用于提高器件的工作电压，降低漏电电流，14为ASFPT(非晶硅)钝化保护膜，用于提高器件的稳定性，延长器件的使用寿命，4为二氧化硅绝缘保护层，用于将各元件相互隔开，起绝缘与保护作用。
在本实用新型中，N+/P型(P+/N型)纳米硅/单晶硅超高速开关二极管，如图1所示，在P型(N型)电阻率约等于10-2Ω·cm的低电阻率单晶硅基片1上，附厚约5～10微米电阻率约1Ω·cm同质外延层11，然后，预先用半导体中热氧化方法在硅基片上生成约0.5微米厚的二氧化硅绝缘层4，再使用半导体平面工艺光刻技术制成一排排整齐的小窗口，其面积可以任意选定，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VHFCVD沉积设备中生长一层厚约1微米掺磷(或掺硼)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2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3、3’要形成欧姆连接，形成图1所示的结构。掺磷或(掺硼)纳米硅薄膜是在超高真空VHFCVD沉积设备中形成的(另有专利申请)。衬底温度为280±30℃，射频功率为50～80瓦，频率为80～120MHz。直流负偏压在150～200伏，反应时气压0.7～1.0乇，反应气体比SiH4/SiH4+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)纳米硅薄膜的室温电阻率用四探针法测得大约200～500Ω/□。
用上述方法制得的纳米硅超高速开关管，其纳米硅薄膜具有细微晶粒，粒径2～8纳米，晶粒所占体积比(53±5)％。纳米硅薄膜中细微晶粒已具有量子点特性，从而使纳米硅薄膜以及所制成的异质结二极管的电输运过程是一种新型的量子隧穿机制。纳米硅的禁带宽度(Eg为1.8～1.9eV)比单晶硅的禁带宽度(Eg为1.15eV)大，故在其交界面形成异质结，如图2所示，这种异质结具有新颖的二极管整流和检波作用，如图3所示。反向击穿电压Vb可达120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104～106范围。在IF＝10毫安，IR＝-100毫安下，测出的反向开关时间tr不大于1.0纳秒(nS)，如图4所示。本实用新型在反向电压-10伏以内为一直线，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(εcNd+εnNA)(Vb-V)]-1/2，如图7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，显示出它是一种量子隧穿输运过程。即纳米硅超高速开关管的电输运过程，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1.一种纳米硅超高速开关管，其特征是在低电阻率单晶硅基片(1)的上方沉积一层外延层(11)，在外延层(11)上面热氧化一薄层二氧化硅绝缘层(4)，在二氧化硅绝缘层(4)上刻出一排排小窗口，在小窗口内沉积一层纳米硅薄膜(2)。
2.根据权利要求1所述的纳米硅超高速开关管，其特征在于以P型低电阻率单晶硅为基片(1)，在其上方沉积一层掺磷的纳米硅薄膜(2)，构成了n+/P纳米硅/单晶硅异质结构。
3.根据权利要求1所述的纳米硅超高速开关管，其特征在于以N型低电阻率单晶硅为基片(1)，在上方沉积一层掺硼的纳米硅薄膜(2)，构成了p+/N纳米硅/单晶硅异质结构
4.根据权利要求1所述的纳米硅超高速开关管，其特征在于所述的纳米硅薄膜(1)具有细微晶粒，粒径为2～8纳米，晶粒所占体积比53±5％，薄膜室温电阻率200～500Ω/□。
5.根据权利要求1所述的纳米硅超高速开关管，其特征是在对应于掺杂纳米硅薄膜(2)部位的基片(1)内设置一圈向下延伸的扩散保护环(12)。
6.根据权利要求1所述的纳米硅超高速开关管，其特征是在基片(1)的下面及掺杂纳米硅薄膜(2)的上面分别有电极(3)(3’)，在掺杂纳米硅薄膜(2)的周围是绝缘保护层(4)。
7.根据权利要求7所述的纳米硅超高速开关管，其特征是在绝缘保护层(4)及电极(3’)的上表面有非晶硅钝化保护膜(14)。
专利摘要纳米硅超高速开关管，是以低电阻率单晶硅为基片，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。该纳米硅超高速开关管具有优越的伏—安特性，击穿电压V
文档编号H01L29/66GK2622868SQ0322156
公开日2004年6月30日 申请日期2003年4月28日 优先权日2003年4月28日
发明者何宇良, 王因生 申请人:何宇良, 江苏省威孚纳米科技有限公司