[发明专利]纳米硅异质结双向隧穿二极管

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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-10V，耐压能力不强。

发明内容

本发明针对背景技术的缺点和不足，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。

本发明进一步目的是使反向击穿电压得到极大提高，达到-37V以上。

为实现上述目的，本发明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10¹⁸-10¹⁹cm^-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烷的比例为体积比0.2vol％-1.0vol％。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45nm-55nm。

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。

本发明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-37V以上，耐压能力大为提高。

下面结合说明书附图对本发明做进一步介绍。

附图说明

图1本发明的结构示意图

图2本发明纳米硅/单晶硅横截面的高分辨透射电镜照片

图3本发明的正向I-V特性曲线图

图4本发明的反向I-V特性曲线图

图5本发明纳米硅量子化能级的顺序共振隧穿示意图

具体实施方式