纳米硅异质结反向二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米硅异质结反向二极管及其制备方法，包括单晶硅基片、电极、沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜，所述纳米硅薄膜和单晶硅基片构成纳米硅／单晶硅异质结构，所述单晶硅基片的载流子浓度不小于２．４×１０↑［２０］ｃｍ↑［－３］，所述纳米硅薄膜的载流子浓度为２．０×１０↑［１９］ｃｍ↑［－３］－１．０×１０↑［２０］ｃｍ↑［－３］。本发明专利技术实现了利用纳米硅薄膜制成反向二极管，并相较过去其他材料制成的反向二极管，其反向击穿电压提高了约２Ｖ，使反向二极管工作电压区间得到明显地提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子器件，具体的说是一种反向二极管，更具体地说是纳米硅异质结反向二极管。
技术介绍
上世纪80年代以来，国内外各研究机构的研究结果表明纳米硅薄膜(nc-Si:H)是由氢化非晶形硅(a-Si:H)组织以及嵌在氢化非晶形硅组织中的纳米硅晶粒构成，其中纳米硅晶粒具有量子点特征，它的传导机制已不同于半导体材料，而是一种异质结量子点隧穿机制，这使它具有比非晶硅(a-Si)高出几千倍的电导率，且电导率与温度的关系较弱。由于纳米硅薄膜(nc-Si:H)的结构特征使它具有一系列不同于单晶硅(c-Si)、非晶硅(a-Si:H)和微晶硅薄膜(mc-Si:H)的物性，它在电子器件方面的应用前景也日益引起人们的广泛兴趣。 反向二极管，即小偏压下“反”向电流大于“正”向电流的二极管，具有优越的频率响应以及对温度、辐照效应不明显等特性。反向二极管应用于小信号低功率电路的过压保护、整流、微波检波、混频。如施敏著的《半导体器件物理》(电子工业出版社1987年出版)第九章第三节介绍，但是这种反向二极管其反向击穿电压偏低，常温下只有-4.7V。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是应用纳米硅薄膜制成一种纳米硅异质结反向二极管。 本专利技术的第二个目的是提供一种纳米硅异质结反向二极管的制造方法。 为实现上述目的，本专利技术的技术方案是一种纳米硅异质结反向二极管，其特征在于包括单晶硅基片、电极、沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜，所述纳米硅薄膜和单晶硅基片构成纳米硅/单晶硅异质结构，所述单晶硅基片的载流子浓度不小于2.4×1020cm-3，所述纳米硅薄膜的载流子浓度为2.0×1019cm-3-1.0×1020cm-3。 进一步设置是所述单晶硅基片的平均电阻率为0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm。 进一步设置是以单晶硅为基片为P+型掺杂，所述纳米硅薄膜为N+型，二者构成N+/P+型的纳米硅/单晶硅异质结构。 进一步设置是所述的N+型纳米硅薄膜为磷掺杂。 进一步设置是所述纳米硅薄膜厚度为1μm。 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。 为实现本专利技术的第二个目的，本专利技术的技术方案是一种纳米硅异质结反向二极管的制备工艺，其特征在于包括以下步骤 a、选择厚度约100μm、平均电阻率为0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm、载流子浓度不小于2.4×1020cm-3、单面磨光的P+型单晶硅为衬底； b、在1293K温度下，对单晶硅衬底热氧化出1μm厚SiO2层，在该SiO2层上蚀刻出方孔； c、用等离子体化学气相沉积法，以硅烷中通入磷烷作为混合反应源气，在PECVD反应室内在衬底方孔中生长沉积出掺磷的纳米硅薄膜，其工艺参数是 PECVD反应室极限真空1.0×10-4Pa 混合反应源气掺杂比PH3/SiH4＝8.0vol％-12.0vol％ 薄膜生长时选用射频源RF频率f＝13.56MHZ 薄膜生长RF射频功率密度0.6W/cm2 薄膜生长衬底温度Ts＝523K 薄膜生长负直流偏压Vb＝-150V 薄膜生长时反应气体压力P＝1乇 d、将方孔外层的纳米硅薄膜通过光刻剔除，在方孔内留下约1μm厚的掺磷纳米硅薄膜； e、分别在衬底和薄膜上用电子束蒸发技术制成电极； 最终形成结构为电极/(N+)nc-Si:H/(P+)c-Si/电极的反向二极管。 进一步设置是在衬底和薄膜上分别选用金铬合金与金锗合金为原料用电子束蒸发技术制成电极，其工艺参数是 电子束蒸发室极限真空1.0×10-4Pa 灯丝直流电流I＝10A 衬底温度Ts＝473K 电极薄膜的厚度0.5μm。 本专利技术的有益效果是利用纳米硅薄膜制成反向二极管，相比较过去其它材料制成的反向二极管，其反向击穿电压提高了约2V，使反向二极管工作电压区间得到明显地提高。 下面结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。 说明书附图 附图说明图1本专利技术产品结构示意图 图2本专利技术具体实施方式1检测的正向I-V曲线 图3本专利技术具体实施方式1检测的反向I-V曲线 图4本专利技术产品在正向偏压下Ip所对应的能带图 图5本专利技术产品在正向偏压下Iv所对应的能带图 图6本专利技术产品在正向偏压下Ih所对应的能带图 图7本专利技术产品在反向偏压下所对应的能带图 具体实施例方式 如图1所述的本专利技术产品的具体实施方式1，选用平均电阻率为0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm的P+型单晶硅(c-Si)为基片1，本实施例的基片的平均电阻率优选0.0006Ω·cm，该单晶硅基片的掺杂的载流子浓度优选为2.4×1020cm-3，当然本专利技术单晶硅基片的掺杂的载流子浓度还可以大于2.4×1020cm-3，该基片上沉积一层厚度为1μm的掺磷的N+型纳米硅薄膜(nc-Si:H)2，该纳米硅薄膜(nc-Si:H)的载流子浓度为2.0×1019cm-3，所述纳米硅薄膜和单晶硅构成纳米硅/单晶硅异质结构，基片和纳米硅薄膜上分别设有Au/Cr电极和Au/Ge电极3。 如图1所述的本专利技术产品的具体实施方式2，与实施方式1不同的是所述纳米硅薄膜(nc-Si:H)的载流子浓度为1.0×1020cm-3。 如图1所述的本专利技术产品的具体实施方式3，与实施方式1不同的是所述纳米硅薄膜(nc-Si:H)的载流子浓度为6.0×1019cm-3。 本专利技术的制备方法的实施方式1选用约100μm厚、平均电阻率为0.0006Ω·cm，载流子浓度NA为2.4×1020cm-3的单片抛光p+型晶体硅(100)晶片作为基片材料。首先，在1293K温度下，对衬底基片热氧化法制备约1μm厚的SiO2层。用光刻蚀技术将SiO2层蚀刻出系列30μm×30μm方孔，再用等离子体化学气相沉积(PECVD)技术在这些窗口里淀积一层新鲜的掺磷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1μm厚的掺磷纳米硅薄膜(nc-Si:H)。该掺磷的纳米硅薄膜(nc-Si:H)是用高真空PECVD反应室内，按以下工艺参数制备的 PECVD反应室极限真空1.0×10-4Pa 混合反应源气掺杂比PH3/SiH4＝10vol％ 薄膜生长时选用射频源RF频率f＝13.56MHZ 薄膜生长RF射频功率密度0.6W/cm2 薄膜生长衬底温度Ts＝523K 薄膜生长负直流偏压Vb＝-150V 薄膜生长时反应气体压力P＝1乇(mmHg) 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，其工艺参数是 电子束蒸发室极限真空1.0×10-4Pa 灯丝直流电流I＝10A 衬底温度Ts＝473K 电极薄膜的厚度0.5μm 本专利技术的制备方法的实施方式2，与制备方法的实施方式1不同的是制备纳米硅薄膜时，在PECVD反应室内的混合反应源气掺杂比PH3/SiH4＝8vol％。 本专利技术的制备方法的实施方式3，与制备方法的实施方式1不同的是制备纳米硅薄膜时，在PECVD反应室内的混合反应源气掺杂比PH3/Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米硅异质结反向二极管，其特征在于：包括单晶硅基片、电极、沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜，所述纳米硅薄膜和单晶硅基片构成纳米硅／单晶硅异质结构，所述单晶硅基片的载流子浓度不小于２．４×１０↑［２０］ｃｍ↑［－３］，所述纳米硅薄膜的载流子浓度为２．０×１０↑［１９］ｃｍ↑［－３］－１．０×１０↑［２０］ｃｍ↑［－３］。

【技术特征摘要】
1.一种纳米硅异质结反向二极管，其特征在于包括单晶硅基片、电极、沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜，所述纳米硅薄膜和单晶硅基片构成纳米硅/单晶硅异质结构，所述单晶硅基片的载流子浓度不小于2.4×1020cm-3，所述纳米硅薄膜的载流子浓度为2.0×1019cm-3-1.0×1020cm-3。2.根据权利要求1所述的纳米硅异质结反向二极管，其特征在于所述单晶硅基片的平均电阻率为0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm。3.根据权利要求1或2所述的纳米硅异质结反向二极管，其特征在于所述的单晶硅基片为P+型掺杂，所述纳米硅薄膜为N+型掺杂，二者构成N+/P+型的纳米硅/单晶硅异质结构。4.根据权利要求3所述的纳米硅异质结反向二极管，其特征在于所述的N+型纳米硅薄膜为磷掺杂。5.根据权利要求4所述的纳米硅异质结反向二极管，其特征在于所述纳米硅薄膜厚度为1μm。6.根据权利要求5所述的纳米硅异质结反向二极管，其特征在于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。7.一种纳米硅异质结反向二极管的制备方法，其特征在于包括以下步骤a、选择厚度约100μm、平均电阻率为0.0003Ω·cm-0.0006Ω·cm、载流...

【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]