单晶硅－纳米晶立方氮化硼薄膜类P－N结及其制作方法.pdf

单晶硅-纳米晶立方氮化硼薄膜类P-N结及其制作方法
    本发明属一种电子元件及其制作方法。

    半导体P-N结作为电子学元件的基础单元被广泛地应用。传统的P-N结是在电子导电的N型半导体和空穴导电的P型半导体的交界处，电子和空穴相互扩散而形成的。N型和P型半导体材料是由本征半导体材料掺入不同杂质，比如在Ⅳ族元素的材料中掺入少量的Ⅴ族或Ⅲ族元素，而形成的。目前使用的本征半导体材料主要是单晶硅、镓、锢等等。这些半导体材料的禁带宽度均小于4电子伏特。

    本发明采用新的设计思想，用非单晶材料，不经掺杂而制得P-N结，达到工艺过程简单易控，P-N结具有耐高温抗辐射和大功率的目的。

    本发明的P-N结由单晶硅作衬底层，其上沉积有纳米晶立方氮化硼薄膜，在单晶硅和纳米晶立方氮化硼薄膜间形成类P-N结。二者的外表面镀有铝电极。

    目前制备出的类P-N结中，单晶硅可以是N型的，也可以是P型的，立方氮化硼薄膜厚度约为50～150nm，经测定立方氮化硼均为5～10nm尺寸的纳米晶，因此，该类P-N结主要是由单晶硅和纳米晶立方氮化硼构成地。

    本发明的P-N结是利用程开甲院士的二极层理论制作的一种全新构思的类似于传统半导体P-N结的硅/立方氮化硼P-N结。二极层理论可以概述为：当a、b两种材料接触时，如果a的化学势大于b的化学势，并且a的导带能级高于b的空带能级时，a的电子将向b转移，转移的电子在b中形成一个空间电荷区，此电荷区的厚度取决于a和b的化学势的差。

    本发明的单晶硅-纳米晶立方氮化硼薄膜类P-N结与传统的单晶半导体材料的P-N结比较，不再是同种或两种单晶材料构成，而是由单晶硅和纳米晶立方氮化硼薄膜构成，即构成结的晶体形态不同。载流子不是由掺杂形成，而是由界面电子转移形成，在硅和立方氮化硼接触面的立方氮化硼一边有一个大量电子聚集的空间电荷区，相当于N型，而硅一边相当于P型。由于立方氮化硼是宽带(大于6.4电子伏特)的半导体材料，本发明的类P-N结是宽带P-N结，因而具有耐高温抗辐射和大功率运转的优异性能。本发明的类P-N结在导电特性、电压-电流特性与传统的P-N结一样，但电容值比传统的P-N结的电容大106倍。

    本发明的单晶硅-纳米晶立方氮化硼薄膜类P-N结的制作方法，包括有如下工艺过程：沉积立方氮化硼薄膜和形成欧姆接触电极。沉积立方氮化硼薄膜是以商用的N型或P型单晶硅为衬底，在沉积之前先进行清洁处理置于真空室内，以六角氮化硼为源，也置于真空室内。真空室预抽真空至气压低于1×10-2Pa后，充入氩气至工作气压1.0～1.5Pa，对单晶硅衬底加热并加负偏压，对六角氮化硼施加600～900W射频功率，经0.8～1.5小时后停机。所说的形成欧姆接触电极，是采用热蒸镀方法在单晶硅和纳米晶立方氮化硼薄膜类P-N结的表面镀铝，再在真空中加热进行渗铝。

    实施例：

    将N型单晶硅片进行清洁处理，包括表面抛光，氢氟酸、超声波处理，蒸馏水洗净烘干。真空室内放入六角氮化硼和单晶硅衬底后，预抽真空到5×10-8Pa，充入氩气至工作气压1.3Pa，衬底加温至500℃并施加负偏压200V。对距衬底5cm处的六角氮化硼施加800W射频功率，经1小时，沉积立方氮化硼薄膜完成。

    沉积立方氮化硼薄膜后，单晶硅片与立方氮化硼薄膜之间已形成类P-N结。为了联结电极引线，形成欧姆接触，进行镀铝渗铝工艺过程。将带有立方氮化硼薄膜的单晶硅片置于常规镀膜机中，用热蒸镀方法在单晶硅和立方氮化硼薄膜外表面镀厚度为1μm的铝膜。再将形成铝-硅-立方氮化硼-铝各层的P-N结在真空度为10-2Pa的真空中，加热到450℃经4小时后取出。这样又完成了渗铝过程，即将铝渗入单晶硅和立方氮化硼薄膜的表面，形成欧姆接触。至此，单晶硅-纳米晶立方氮化硼薄膜的类P-N结全部完成。

    本发明的构思新颖科学、制备工艺简便，将传统P-N结的适用范围拓宽，具有耐高温，大功率和抗辐射的特性。