專利名稱：納米硅微波開關(guān)二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是關(guān)于一種半導(dǎo)體二極管，更特別的是關(guān)于一種納米硅微波開關(guān)二極管。
現(xiàn)有的二極管是利用單晶硅(C-Si)或單晶砷化鎵(C-GaAs)材料的同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。不僅其工藝是在大于800℃的高溫下形成，其特征參數(shù)大體如下反向擊穿電壓Vb小于60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≈103～105，反向開關(guān)時間tr大于4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。
本實用新型的目的是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微波開關(guān)二極管。
本實用新型的目的可通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)。
本實用新型的納米硅微波開關(guān)二極管，以低電阻率單晶硅為基片，包括先在基片上外延一薄層(5～10微米厚)同質(zhì)外延層，外延層的電阻率高于硅基片，然后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)。由于納米硅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，如摻磷或摻硼等，目的是控制二極管的電導(dǎo)率及導(dǎo)電類型。
在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本實用新型納米硅微波開關(guān)二極管，是以P型低電阻率單晶硅為基片，先外延一層(5～10微米厚)同質(zhì)外延層，然后再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)。
在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本實用新型納米硅微波開關(guān)二極管，以N型低電阻率單晶硅為基片，先外延一層(5～10微米厚)同質(zhì)外延層，然后再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)。
所述納米硅薄膜是具有細微晶粒，粒徑2～6納米，晶體所占體積比(53±5)％，薄膜室溫電阻率200～500歐姆/。納米硅薄膜中的細微晶粒之間構(gòu)成了一定的聯(lián)系，不再像微晶硅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～1納米。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)硅原子的整齊排列。所以納米硅薄膜是由50％左右的晶體硅及另50％左右的非晶硅(界面組織)所構(gòu)成的兩相結(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微波開關(guān)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。
本實用新型的優(yōu)點在于納米硅微波開關(guān)二極管具有優(yōu)越的伏—安特性，擊穿電壓Vb為30～70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101～106范圍內(nèi)；在Ir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(ns)；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。
下面結(jié)合說明書附圖及實施例對本實用新型作進一步的闡述。


圖1是本實用新型的納米硅/單晶硅微波開關(guān)二極管示意圖。
圖2是本實用新型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)能帶簡圖。
圖3是本實用新型的I-V特性曲線圖。
圖4是本實用新型的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)二極管反向開關(guān)時間測試圖。
圖5是本實用新型的納米硅異質(zhì)結(jié)低濕I-V曲線圖。
圖6是本實用新型的納米硅異質(zhì)結(jié)反向伏—安隨濕度特性圖。
圖7是本實用新型的C-2-V特性曲線圖。
圖8是本實用新型的反向電流隨溫度變化曲線圖。
在圖1至8中符號1代表單晶硅、符號2代表納米硅薄膜、符號3代表、符號11代表同質(zhì)外延層、符號12代表。
在本實用新型中，N+/P型(P+/N型)納米硅/單晶硅微波開關(guān)二極管，如圖1所示，以P型(N型)電阻率約等于10-2-2Ω.cm的低電阻率單晶硅1并附厚約5～10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)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)。
本實用新型可采用下述方法來制備預(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)體平面工藝光刻技術(shù)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PECVD沉積設(shè)備中生長一層厚約1微米摻磷(或摻硼)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，形成圖1所示的器件結(jié)構(gòu)。摻磷(或摻硼)納米硅薄膜是在超高真空PECVD沉積設(shè)備中形成，襯底溫度為230±30℃，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+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)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微波開關(guān)二極管，其納米硅薄膜具有細微晶粒，粒徑2～6納米，晶粒所占體積比(53±5)％。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所示。納米硅的禁帶寬度(Eg為1.8～1.9ev)比單晶硅的禁帶寬度(Eg為1.15ev)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3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104～106范圍內(nèi)，如圖4所示。在IF＝10毫安，IR＝-100毫安下，測出的反向開關(guān)時間tr不大于1.5納秒(ns)，如圖5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)電容公式為C＝[gNdNAεCεnε0/2(εCNd+εnNA)(Vb-V)]-1/2，如圖6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。即納米硅微波開關(guān)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1.一種納米硅微波開關(guān)二極管，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所述的納米硅微波開關(guān)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所述的納米硅微波開關(guān)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所述的納米硅微波開關(guān)二極管，其特征在于所述的納米硅薄膜具有細微晶粒，粒徑為2～6納米，晶粒所占體積比(53±5)％，薄膜室溫電阻率200～500Ω/。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4所述的納米硅微波開關(guān)二極管，其特征在于這種異質(zhì)結(jié)二極管具有如下性能a、可在250℃以下溫度范圍正常使用；b、反向開關(guān)時間tr不大于1.5納秒(ns)；c、反向漏電流Ir為納安(nA)量級，具有低的噪音系數(shù)；d、反向擊穿電壓Vb≥60伏，為硬擊穿；e、在V≤±4伏范圍內(nèi)，整流比r＝104～106。
專利摘要本實用新型涉及一種納米硅微波開關(guān)二極管,是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)成納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該納米硅微波開關(guān)二極管具有優(yōu)越的伏一安特性,擊穿電壓V
文檔編號H01L29/861GK2503609SQ01219780
公開日2002年7月31日 申請日期2001年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月23日
發(fā)明者何宇亮, 王因生 申請人:何宇亮, 李愛剛