纳米硅异质结双向隧穿二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种纳米硅异质结双向隧穿二极管，包括单晶硅基片、电极、沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜，该纳米硅薄膜包括嵌在氢化非晶形硅组织中的纳米硅晶粒，所述纳米硅薄膜和构成纳米硅／单晶硅异质结构，其特征是所述的纳米硅晶粒粒径为４－６ｎｍ，且不同纳米硅晶粒的粒径大小相接近。本发明专利技术不仅具有正向偏压下带间隧穿引起的微分负阻效应，同时还具有反向偏压下多个纳米晶粒的量子化能级的顺序共振隧穿现象，另外反向击穿电压得到极大提高，达到－３７Ｖ以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种异质结构的量子器件，更具体的说是异质结隧穿 二极管，特别是指具有正向为带间隧穿、反向为纳米硅晶粒量子化能 级间的顺序共振隧穿特性的纳米硅异质结双向隧穿二极管。技术背景隧道二极管可应用于低功率微波电路的本机振荡器、锁相电路， 反向隧道二极管时可用于小信号整流、微波检频和混频电路。氢化纳米晶硅(nc-Si:H)薄膜，由嵌在氢化非晶形(a-Si:H)组织中的纳米 硅晶粒构成，由于它在微电子和光电子集成方面的应用潜力，引起人 们广泛关注。如半导体学报1998年23期《纳米硅薄膜二极管中的共 振隧穿现象》介绍的纳米硅异质结二极管观察到反向电流-电压(I-V) 曲线电流成阶梯形，可知载流子共振隧穿，但是却没有出现正向偏压 下半导体异质结带间隧穿引起的微分负阻现象，因此这种纳米硅异质 结二极管还不是双向隧穿二极管，因此限制了这种二极管应用领域。 另外这种纳米硅异质结二极管反向击穿电压只有-10 V，耐压能力不强。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
的缺点和不足，而提供一种同时具有正向偏 压下半导体异质结带间隧穿引起的微分负阻效应和反向偏压下多个纳米硅晶粒量子化能级间的顺序共振隧穿现象的纳米硅异质结双向隧穿二极管。本专利技术进一步目的是使反向击穿电压得到极大提高，达到-37 V 以上。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是包括单晶硅基片、沉积于 单晶硅基片上的纳米硅薄膜、电极，该纳米硅薄膜包括嵌在氢化非晶 形硅组织中的纳米硅晶粒。所述纳米硅薄膜和构成纳米硅/单晶硅异 质结构，其特征是所述的纳米硅晶粒粒径为4-6nm，且不同纳米硅晶 粒的粒径大小相接近。晶粒太小时，纳米硅薄膜晶态率低，电阻大， 不利于导电；晶粒太大时，纳米硅量子化能级差别小，无法实现共振 隧穿。进一步设置是所述的单晶硅基片掺杂浓度在1018 - 1019 cm'3之间。进一步设置是所述的纳米硅薄膜是采用等离子体增强化学气相 沉积(PECVD)制成。进一步设置是所述的纳米硅薄膜掺磷，其制备时的气相掺杂质 为三氢化磷，该三氢化磷相对制备纳米硅薄膜时使用的气相硅垸的比 例为体积比0.2 vol%-1.0 vol%。本设置避免纳米硅薄膜的电阻过小或 过大，保证一定的反向电压加在纳米硅薄膜上。进一步设置是所述的纳米硅薄膜和晶体硅基片之间还有一层非 晶形高电阻缓冲层，其厚度为8nm-12nm。本设置缓冲层当作大电阻 用，太厚时二极管需要高电压才能导通；太薄时二极管容易击穿。进一步设置是以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N/P+型的纳米硅/单晶硅异质结构。 进一步设置是所述的纳米硅薄膜厚度为为45 nm-55 nm。 进一步设置是所述的电极是欧姆连接于单晶硅基片的Au/Cr电 极，以及欧姆连接于纳米硅薄膜的Au/Ge电极。本设置采用这种电 极一方面是确保接触良好稳定，另一方面是为了避免出现金属/半导 体的肖特基(Schottky)势垒，破坏了纳米硅/晶体硅的异质结的电特 性。本专利技术的有益效果是不仅具有正向偏压下异质结带间隧穿引起 的微分负阻效应，同时还具有反向偏压下多个纳米硅晶粒量子化能级 间的顺序共振隧穿现象，另外反向击穿电压可达到-37 V以上，耐压 能力大为提高。下面结合说明书附图对本专利技术做进一步介绍。 附图说明图1本专利技术的结构示意2本专利技术纳米硅/单晶硅横截面的高分辨透射电镜照片 图3本专利技术的正向I-V特性曲线图 图4本专利技术的反向I-V特性曲线图 图5本专利技术纳米硅量子化能级的顺序共振隧穿示意图具体实施方式如图1-图2所示的本专利技术实施方式1 (制备样品Sample 1)，以 P+型单晶硅1 (c-Si)为基片，该基片1的P型载流子浓度在1018-1019咖-3之间，该基片1上沉积一层掺磷的n型纳米硅(nc-Si:H)薄膜2，其厚度为45nm-55 nm，本实施方式优选采用50 nm，该掺磷纳 米硅薄膜2，其制备时的气相掺杂质为磷烷(三氢化磷)，该磷烷相 对制备纳米硅薄膜时使用的气相硅烷(四氢化硅)比例为体积比0.2 vol%，该纳米硅薄膜包括嵌在氢化非晶形硅组织中的纳米硅晶粒，该 纳米硅晶粒粒径为4-6 nm，且不同纳米硅晶粒的粒径大小基本一致， 如图2所示，所述纳米硅薄膜和单晶硅构成纳米硅/单晶硅异质结构。 所述的纳米硅薄膜和晶体硅基片之间还有一层非晶形缓冲层4，其厚 度约为8-12nm，该非晶形缓冲层4可视为一个大的串联电阻，工作 时缓冲层可分担绝大部分的反偏压并减少降落在含纳米晶粒的纳米 硅薄膜(nc-Si:H)层的电压，这样可以有效增加了隧穿二极管的反向 击穿电压。基片和纳米硅薄膜上分别设有Au/Cr电极3和Au/Ge电 极3。如图3所示在77K下检测到该纳米硅异质结隧穿二极管具有在 正偏压下带间隧穿引起的微分负阻现象。即组成异质结两边的纳米硅 和单晶硅达到一定程度的掺杂水平时，费米能级进入纳米硅一侧的导 带和单晶硅一侧的价带。在一定的偏置电压下，纳米硅一侧的导带占有态电子通过足够窄的禁带进入单晶硅一侧的价带允许空态，形成所 谓的带间隧穿电流。随着偏置电压增大到一定值时，纳米硅一侧的导 带电子占有态与单晶硅一侧的价带允许空态对应的数量最大，带间隧 穿电流达到最大值。如果偏置电压继续增大，纳米硅一侧的导带与单 晶硅一侧的价带错开，电子占有态与允许空态对应的数量减少，导致 带间隧穿电流下降，也就是微分负阻效应，即一定电压范围内，电压 增大电流反而减少，即dl/dV〈0。具体实施方式2 (制备样品Sample 2):和实施方式1不同在于 所述的掺磷纳米硅薄膜制备时的气相掺杂质为磷烷，该掺杂质磷烷相 对制备纳米硅薄膜时使用的硅垸比例为体积比0.5 vol%。具体实施方式3 (制备样品Sample 3):和实施方式1不同在于 所述的掺磷纳米硅薄膜制备时的气相掺杂质为磷垸，该掺杂质磷烷相 对制备纳米硅薄膜时使用的硅烷比例为体积比1.0 vol%。本专利技术的制作工艺是选用约100pm厚、平均载流子浓度在1018 -l(^cn^之间的单片抛光p+型晶体硅(111)晶片作为基片材料。 首先，在102(TC下衬底晶片通过加热氧化法制备约100nm厚的SiO2 层。用光刻蚀技术将Si02层蚀刻出系列30 pmx30 pm方形窗口，再 用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在这些窗口里淀积一 层新鲜的n型nc-Si:H薄膜，然后采用光刻蚀技术去除方形窗口外的 nc-Si:H膜，只保留窗口底部约50 nm厚的掺磷nc-Si:H膜。最后，用 电子束蒸发法在晶体硅基片和纳米硅薄膜(nc-Si:H)上分别蒸Au/Cr 和Au/Ge合金作为两个欧姆接触电极。该掺磷的nc-Si:H薄膜是用高 真空PECVD设备按以下参数制备的，衬底(晶体硅基片)温度423±1 K (温度适中，确保薄膜生长的质量和厚度方便控制)，负直流偏压 为100±2 V，电容耦合射频(RF)为13.56 MHz，射频功率密度为0.30 Wxm—2 (较低的功率密度改善薄膜的生长质量)，反应气压为100±5 Pa,反应气体PH3/SiH4体积百份比0.2 vol。/。或者0.5 vol。/。或者1.0 vol%。用上述工艺制备的本专利技术，如图2所示纳米硅薄膜里的纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米硅异质结双向隧穿二极管，包括单晶硅基片、电极、沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜，该纳米硅薄膜包括嵌在氢化非晶形硅组织中的纳米硅晶粒，所述纳米硅薄膜和构成纳米硅／单晶硅异质结构，其特征是所述的纳米硅晶粒粒径为４－６ｎｍ，且不同纳米硅晶粒的粒径大小相接近。

【技术特征摘要】
CN 2007-7-6 200720040554X1. 一种纳米硅异质结双向隧穿二极管，包括单晶硅基片、电极、沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜，该纳米硅薄膜包括嵌在氢化非晶形硅组织中的纳米硅晶粒，所述纳米硅薄膜和构成纳米硅/单晶硅异质结构，其特征是所述的纳米硅晶粒粒径为4-6nm，且不同纳米硅晶粒的粒径大小相接近。2. 根据权利要求1所述的纳米硅异质结双向隧穿二极管，其特征是 所述的单晶硅基片的平均载流子浓度在1018 - 1(Tcm-s之间。3. 根据权利要求1或2所述的纳米硅异质结双向隧穿二极管，其特 征是所述的纳米硅薄膜是采用等离子体增强化学气相沉积制成。4. 根据权利要求3所述的纳米硅异质结双向隧穿二极管，其特征是 所述的纳米硅薄膜掺磷，其制备时的气相...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦文生，
申请(专利权)人：韦文生，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]