[发明专利]高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法

权利要求书

1.高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、基于载流子浓度和迁移率理论，以能带分布为桥梁，开展超晶格结构热敏特性研究，建立电导率与温度之间的定量关系；

S2、开展金属半导体热敏特性研究，结合S1中研究内容结果，分析不同的金属半导体接触对整体结构TCR的影响；

S3、分析在偏置电压下能级能带的变化以及对结构TCR的影响；通过MEMS工艺，形成稳定的工艺方法制备所设计的金属半导体接触结构；通过不同条件下的电压-电流测试曲线验证所建立的物理模型，形成高TCR超晶格结构实现方法。

2.根据权利要求1所述的高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法，其特征在于，S1中，开展超晶格结构能级能带分布研究，计算特定掺杂浓度条件下费米能级、重空穴能级以及势垒高度，进一步获得超晶格结构内载流子浓度分布；通过霍尔效应实验，测定样品在不同温度下的空穴迁移率；结合载流子浓度及迁移率关系，建立宏观电导率与温度之间的数学关系，并通过不同温度下的电压-电流曲线验证模型的正确性。

3.根据权利要求2所述的高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法，其特征在于，S2中，在焦平面阵列像元中，必须在热敏材料两端沉积金属电极将信号读出；金属与半导体之间接触存在欧姆接触和肖特基势垒两种状态；形成肖特基接触的影响因素有两点，一是肖特基势垒自身具备电阻温度效应，二是肖特基势垒对超晶格结构的能带产生影响，使得结构具有TCR增强的效应；

当硅表面的掺杂(硼或者磷)浓度达不到1×10¹⁸cm^-3时，隧穿现象不明显，金属-半导体之间形成肖特基势垒，肖特基势垒具有正反电流-电压不对称的特点，电流密度为：

其中，V为外界电压(正向电压≥0，从金属流向半导体)，A^*为查理逊常数，qΦ_ns为势垒高度，当qVk₀T且V≤0时(从半导体流向金属)，电流密度表示为：

-A^*T²exp(-qΦ_ns/k₀T) (2-2)

电流密度与偏置电压无关，而是温度的函数。

4.根据权利要求3所述的高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法，其特征在于，通过NextNano软件开展对金属、不同硼掺杂浓度硅之间的接触进行能带计算，结合热电子发射理论、隧穿效应理论进行分析，获得单个势垒正、反向温度特性定量关系；结合S1中所形成的超晶格能带计算结果，研究金属半导体接触对超晶格能带的影响；金属半导体接触的形成需要通过磁控溅射金属、刻蚀、退火工艺完成；针对所制备的样品，开展电学性能测试，获得不同温度下的正向、反向I-V、C-V曲线测试，通过实验分析单个势垒温度特性模型。

5.根据权利要求3所述的高电阻温度系数硅基超晶格半导体薄膜的设计方法，其特征在于，S3中，通过超晶格材料设计，形成载流子势阱，同时满足宏观电导率要求和能级差的要求；

式中对高TCR超晶格材料设计实现了半定量分析，其推导过程是基于如下假设：一、载流子浓度是假设本征半导体载流子，且完全电离，即：

其中，n₀为载流子浓度，m_p为空穴有效质量，T为温度，k、h为玻尔兹曼常数和普朗克常数，E_f、E_v分别为费米能级和价带能级；

二、电导率与载流子浓度成正比，即σ∝n₀；

三、仅考虑平衡态条件下的电导率-温度关系，没有考虑施加电场条件下非平衡载流子的注入与复合。