[发明专利]纳米硅/非晶碳化硅异质结多势垒变容二极管及制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米硅/非晶碳化硅异质结多势垒变容二极管及制备方法，包括N⁺型单晶硅衬底、N⁺型单晶硅衬底上沉积的N型纳米硅调制层、N型纳米硅调制层上沉积的非晶碳化硅势垒层、非晶碳化硅势垒层上沉积的N型纳米硅调制层；根据耐压和容量要求，确定由N型纳米硅调制层、非晶碳化硅势垒层、N型纳米硅调制层构成的异质结的生长周期；然后沉积N⁺型纳米硅接触层；在N⁺型单晶硅衬底、纳米硅接触层上表面分别蒸镀金铝电极，异质结外面氧化产生保护层，之外涂覆遮光层，制成异质结多势垒变容二极管，加工时无扩散污染。本发明的异质结多势垒变容二极管的电容小、变容比率高、截止频率高、动态负载调制范围宽，适用于倍频、电调谐、参数放大等。

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及半导体器件，具体地说是一种纳米硅/非晶碳化硅异质结多势垒变容二极管及制备方法。

背景技术

电容器是一种存储电场能量的器件，传统的电容器由电介质隔离的两块金属板以特定几何结构组成。早期所用的机械式调谐电容器，元件本身的品质因Q值很高，一般都可达几千；但体积大，安装、使用不便。经过发展，部分机械式调谐电容器被变容二极管取代，后者的Q值通常在几十至几百之间。PN结变容二极管是利用二极管反偏时PN结电容随反向电压变化的原理制成的半导体器件，也称为压控变容器，它的反向击穿电压与衬底材料的电阻率有关。不同于传统金属板电容器或者PN结电容器的电荷积累在极板或者P、N区，本发明的纳米硅/非晶碳化硅异质结多势垒变容二极管中，窄带隙的纳米硅作为势阱储存电荷，宽带隙的非晶碳化硅作为势垒介质；每个掺杂纳米硅/非晶碳化硅/掺杂纳米硅构成的异质结当作一个势垒电容器，多个这样的电容器串联，形成异质结势垒变容二极管，它的等效电容变小、端电压变大，适用于高频、高压领域。

通过检索，现有技术中有以下主要文献反映变容二极管。具体为：

文献1[AEU-International Journal of Electronics and Communications,Vol.110,No.10(2019):152823-1-13.]反映，变容二极管能够取代机械式调谐电容器，体积更小，提高电路的可靠性，广泛用于谐波产生、频率倍增、低噪声放大、微波接收调谐器、有源滤波器、开关、移相、脉冲产生与脉冲整形、光探测等电子信息领域，电容式光探测传感器的功耗小于其它传统光学探测器的对应值。一般采用外延、扩散技术制造硅单晶或砷化镓等化合物半导体变容二极管。它的种类包括电调谐变容二极管(可用于谐振电路等)、参数放大变容二极管(可用于用于倍频、电调谐、信号参数放大等)、功率阶跃变容二极管(可用于固体功率源的中倍频、移相等)。

文献2[Critical design issues for high-power GaN_AlGaN anti-serialSchottky varactor frequency triplers,Microelectronics Journal,Vol.43,No.6(2012):410-415.]公开，目前常见的半导体变容二极管有三种结构：金属-半导体-金属-二维电子气(MSM-2DEG)型变容二极管、反串联肖特基变容二极管(anti-serial Schottkyvaractor,ASV)、异质结势垒变容二极管(heterobarrier varactor,HBV)。前两者展示了更低的漏电流，因为势垒更高；MSM-2DEG器件一般采用横向结构；后二者(ASV、HBV)一般采用垂直结构，可以加厚半导体层从而提高击穿电场强度，具有大功率处理能力，还能够形成对称的电容—电压关系和反对称的电流—电压关系，无需设置电流偏置及其作为三倍频器使用时的偶次谐波空载电路，提高三次谐波的转换效率。利用非线性的半导体变容二极管，可从低频泵浦产生高频谐波，是一种获得太赫兹波源的有效途径。作为变容器的半导体变容二极管的损耗要尽可能小，即扩散电容尽量小，因为扩散电容的充放电电流在电路中引起损耗。那么，就要充分利用半导体变容二极管的势垒电容，工作于0偏压——击穿之间的整个反偏电压范围。在保证最高反向工作电压等可靠性的前提下，选择可行工艺，制造尽量薄的变容器极板、电介质，但要保证材料质量，环保节能。