纳米硅开关二极管及其应用

纳米硅开关二极管及其应用纳米硅开关二极管及其应用 翁寿松 殷晨钟翁寿松 殷晨钟 1 1 引言引言 近几年 被媒体炒得沸沸扬扬的纳米电子产品 如纳米洗衣机 纳米电冰 箱 纳米计算机和纳米半导体器件等均处于研发阶段 世界各国都投入大量的 资金和人力从事纳米电子产品的研究与开发 国家科技部和上海市科委共同下达了 纳米二极管开发应用 的研究课题 上海维安新材料研究开发有限公司 南京大学物理系和无锡市固特控制技术有 限公司等单位参与了该项课题的研发 并研制成功纳米硅微波开关二极管 他 们在单晶硅 C Si 衬底上 采用常规半导体工艺中的等离子体增强化学汽相 淀积技术 PECVD 生长磷 硼掺杂的纳米硅薄膜 nC Si H 制成 n p 型或 p n 型 nC Si C Si 异质结二极管 即纳米硅微波开关二极管 纳米硅 薄膜是由大量的细微硅晶粒 体积百分比 XC 50 5 晶粒直径 d 2nm 6nm 构成具有新颖结构的硅薄膜 在这种硅薄膜中各晶粒之间形成无序结构的分面 区 界面区厚度约 1nm 占体积百分比 Xi 约 40 正由于这种特殊结构 使 纳米硅薄膜具有其它同类的晶态和非晶态材料完全不同的属性 纳米硅开关二 极管在高温性能 反向漏电流和开关时间等方面都优于外延硅 单晶硅同质结二 极管 如微波开关二极管和普通开关二极管 2 2 特性特性 1 1 2 12 1 电参数电参数 表 1 给出纳米硅开关二极管与同类开关二极管电参数的比较 从表 1 可知 纳米硅开关二极管在最高工作温度 反向漏电流和开关时间方面都优于同类其 它开关二极管 纳米硅开关二极管的工作温度可高达 250 而其它同类开关 二极管仅为 125 纳米硅开关二极管的开关时间 t 1 0ns 几乎达到了硅开 关器件的极限值 而 1N4153 1SS92 的开关时间 t 2 0ns WK32 的开关时间 t 8ns 两者相差 2 倍 8 倍 极适合应用于高速开关电路 纳米硅开关二极 管的反向漏电流 IR 10nA 50V 而 1N4153 的反向漏电流 IR 50nA 50V 1SS92 的反向漏电流 IR 500nA 65V 两者相差 5 倍 50 倍 能够显著降低电路的噪 声 表 1 纳米硅开关二极管与同类开关二极管的电参数比较 型号型号 制造制造 单位单位 击穿电击穿电 压压 Vb VVb V 反向漏电反向漏电 流流 IR nAIR nA 正向微分正向微分 电阻电阻 Rf Rf 结电容结电容 Cj pFCj pF 反向恢复反向恢复 时间时间 tr nstr ns 最高工作温最高工作温 度度 Tmax Tmax 纳米硅微纳米硅微 波开关二波开关二 60 60 10 10 50V50V 4 4 6 6 1 11 1 2 2 5 5 1 0 1 0 250250 极管极管 WK32WK32 微波微波 开关二极开关二极 管管 5555 所所 80 80 3 5 3 5 0 10 1 0 0 2 2 8 0 8 0 125125 WK325WK325 PINPIN 二极管二极管 5555 所所 45 45 1 2 1 2 0 50 5 0 0 6 6 30 0 30 0 125125 1N41531N4153 开开 关二极管关二极管 日立日立 75 75 50 50 50V50V 2 0 2 0 2 0 2 0 125125 1SS921SS92 开关开关 二极管二极管 RohmRohm 75 75 500 500 6565 V V 3 0 3 0 2 0 2 0 125125 2 22 2 伏 安特性伏 安特性 图 1 给出纳米硅开关二极管在室温下的反向伏 安特性曲线 其反向击穿 电压大于 60V 而且为硬击穿 图 2 给出的纳米硅开关二极管在低温下的伏 安 特性曲线 在 10k 30k 和 300k 条件下 其伏 安特性是相当稳定的 2 32 3 高温特性高温特性 图 3 给出纳米硅开关二极管在高温下的伏 安特性曲线 在高温下其伏 安特性是稳定的 表明其热稳定性良好 几十只纳米硅开关二极管经 300 72h 高温老化试验后 未发现一只损坏 并且部分二极管的反向漏电流还有所 改善 纳米硅开关二极管的这种良好热稳定性取决于纳米硅薄膜材料本身的稳 定性 因为纳米硅薄膜的电输送具有单电子穿越晶粒的量子隧穿机电 HQD 它已不属于通常半导体热激发输送 因此其电输送特性几乎与温度无关 2 42 4 反向特性反向特性 图 4 给出纳米硅开关二极管在室温度和高温下的反向伏 安特性曲线 在 室温下其反向漏电流 IR 10nA 高温下 200 其反向漏电流 IR 1 A 与 同类开关二极管相比 具有良好的反向特性 这样不仅可降低电路噪声 而且 可用于非常恶劣的环境 如火箭 油田和井下等 2 52 5 结电容特性结电容特性 在 PN 结结面积几乎相等的情况下 纳米硅开关二极管的结电容要比微波开 关二极管大 10 倍以上 这是由于纳米硅薄膜由大量的仅几个纳米大小的细微晶 粒组成 如对于平均由 3nm 4nm 大小的晶位构成的纳米硅薄膜 其晶粒密度约 为 1019 cm3 每一个晶粒的表面效应将增加 PN 结结电容 3 3 应用应用 由于纳米硅开关二极管较同类开关二极管在高温 开关时