纳米硅开关二极管及其应用

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1、纳米硅开关二极管及其应用翁寿松，殷晨钟　1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

2、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

3、同质结二极管，如微波开关二极管和普通开关二极管。2特性[1]2.1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

4、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制造单位击穿电压Vb/V反向漏电流IR/nA正向微分电阻Rf/Ω结电容Cj/pF反向恢复时间tr/ns最高工作温度Tmax/℃纳米硅微波开关二极管　≥60≤10（50V）4～61.1～2.5≤1.0250WK32微波开关二极管55所≥80　≤3.50.1～0.2

5、≤8.0125WK325PIN二极管55所≥45　≤1.20.5～0.6≤30.01251N4153开关二极管日立≥75≤50（50V）　≤2.0≤2.01251SS92开关二极管Rohm≥75≤500（65V）　≤3.0≤2.01252.2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10kΩ、30kΩ和300kΩ条件下，其伏－安特性是相当稳定的。2.3高温特性   图3给出纳米硅开关

6、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。2.4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，

7、高温下（200℃）其反向漏电流IR≤1μA，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。2.5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应用   由于纳米硅开关二极管较同类开关二极管在高温、开

8、关时间和反向特性方面都具有卓越的性能，所以它可在超高速计算机、低噪声系统、军事、航天、微波等光电、信息领域以及油田、井下等高温环境中大显身手。参考文献[1]何宇亮.纳米硅二极管的独特性能[J].微纳电子技术，2002（1）：33