一种纳米硅异质结压敏二极管及纳米硅异质结压力传感器

摘要

本发明公开了一种纳米硅异质结压敏二极管及纳米硅异质结压力传感器，本发明的优点在于应用纳米硅/单晶硅异质结构在应力状态下的反向I－V特性，制成了敏感性、线性特性好的纳米硅/单晶硅异质结压敏二极管，并应用该纳米硅/单晶硅异质结压敏二极管而制作一种敏感性、线性特性好的纳米硅/单晶硅异质结压力传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力敏感元件以及压力传感器，具体地说涉及一 种半导体压敏二极管以及半导体压力传感器，更具体地说是纳米硅异 质结压敏反向二极管及纳米硅异质结压力传感器。

背景技术

压力传感器是工业领域中常用的一种传感器，它将压力、应变等 力学量转换成电学量，广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、 铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电 力、船舶、机床、管道等众多行业，随着微电子以及微机械加工技术 的进步，半导体压力传感器作为压力传感器中的重要一员，广泛应用 于工业自动化、航空航天、石油测井、汽车发动机等诸多领域。所谓 的半导体压力传感器(semiconductor pressure sensor)是利用半导体 材料的压阻效应以及半导体二极管、晶体管的电流——电压(I-V) 关系的压力效应制成的元件。因此，半导体压力传感器可分为两类， 一类是根据半导体压阻效应构成的传感器，这类是目前半导体压力传 感器的主要品种；另一类是根据半导体PN结(或肖特基结)在应力 作用下I-V关系特性发生变化的原理制成的各种压敏二极管或晶体 管。但是这种压力敏感元件的性能很不稳定，因此在技术上难以得到 很大的发展和推广应用。科技界对利用晶体硅异质结二极管和隧道二 极管来制作压力传感器并试图获得稳定应用的研究已经持续了数十 年(参见W.Rindner，I.Braun，J.Appl.Phys.34(1963)：1958-1970.； W.Bernard，W.Rindner，H.Roth，J.Appl.Phys.35(1964)：1860-1862.)。 然而，利用传统硅二极管I-V特性的压力效应制成的压力传感元件， 在正向电压偏置下，其电流随压力不同而变化极快，其敏感性、线性 特性非常不好，极大地限制了应用；利用硅隧道二极管的正向I-V特 性制成的压力传感元件，虽然在敏感性和线性上有不错的表现，但用 之制作压力传感器时，难以选择一个合适的分流电阻而使隧道二极管 工作在正常状态，因此同样限制了其应用。

上世纪80年代以来，国内外各研究机构的研究结果表明：纳米 硅薄膜(nc-Si:H)是由氢化非晶形硅(a-Si:H)组织以及嵌在氢化非晶形 硅组织中的纳米硅晶粒构成，其中纳米硅晶粒具有量子点特征，它的 传导机制已不同于传统半导体材料，而存在一种异质结量子点隧穿机 制，这使它具有比非晶硅(a-Si)高出几千倍的电导率，且电导率与温 度的关系较弱。由于结构特征，纳米硅薄膜具有一系列不同于单晶硅 (c-Si)、非晶硅和微晶硅(μc-Si:H)材料的物性，它在电子器件方面的 应用前景也日益引起人们的广泛关注。本发明申请人基于纳米硅薄膜 独特的导电性能，曾提交过一份中国专利申请号为200710024272的 纳米硅异质结反向二极管及其制备方法的专利申请，在研究该反向二 极管正、反向I-V特性的基础上，经过潜心研究和试验，研制出一种 敏感性、线性特性好的纳米硅异质结压敏二极管，并利用该纳米硅异 质结压敏二极管制作了一种纳米硅异质结压力传感器。

发明内容

本发明的目的是鉴于背景技术中存在的问题而提供一种敏感性 和线性特性优越的纳米硅异质结压敏二极管。

本发明的另一个目的是提供一种应用纳米硅异质结压敏二极管 制成一种纳米硅异质结压力传感器。

为实现上述第一个目的，本发明的技术方案是包括单晶硅基片、 沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜、分别与单晶硅基片和纳米硅薄膜 欧姆连接的一对电极，所述纳米硅薄膜与单晶硅基片构成纳米硅/单 晶硅异质结构，所述的单晶硅基片的平均电阻率为0.001Ω·cm- 0.0001Ω·cm，载流子浓度为5.0×10¹⁹cm^-3-1.0×10²¹cm^-3，所述纳米硅 薄膜厚度约为3.0μm-8.0μm。

进一步设置是所述的单晶硅基片为P⁺型掺杂，所述纳米硅薄膜 为N⁺型掺杂，二者构成N⁺/P⁺型的纳米硅/单晶硅异质结构。

进一步设置是所述的N⁺型纳米硅薄膜为磷掺杂。

进一步设置是所述的电极是欧姆连接于单晶硅基片的Al电极， 以及欧姆连接于纳米硅薄膜的In电极。

为实现上述第二个目的，本发明的技术方案是包括纳米硅异质结 压敏二极管、压力传递柱、皮安表、恒压源、承压台、导电基座，所 述的压力传递柱一端固接承压台，另一端正抵压在纳米硅异质结压敏 二极管的正极上，该压力传递柱导电且与该电极形成欧姆连接，所述 的皮安表一极连接在压力传递柱上，其另一极与恒压源的负极连接， 所述的恒压源正极通过导电基座与纳米硅异质结压敏二极管的负极 连接，使纳米硅压敏二极管处于反向偏置状态，形成回路。

进一步设置是所述的纳米硅异质结压敏二极管的负极抵压设置 有一导电基座，且该导电基座与纳米硅压敏二极管的负极形成欧姆连 接。

进一步设置是所述的导电基座接地，所述的皮安表外接恒压源负 极，该恒压源使纳米硅异质结压敏二极管处于反向偏置状态。

进一步设置所述的压力传递柱外侧固接有与之匹配的方向保持 架，使压力传递柱保持在竖直状态。

进一步设置是所述的与压力传递柱欧姆连接的电极为欧姆连接 于单晶硅基片的铝Al电极，所述另一侧的电极为欧姆连接于纳米硅 薄膜的In电极，所述的与In电极欧姆连接的导电基座为钨基座，所 述的压力传递柱为铝Al柱。

本发明的优点在于应用纳米硅/单晶硅异质结构在应力状态下反 向I-V特性，制成了敏感性、线性特性好的纳米硅异质结压敏二极管， 并应用该纳米硅异质结压敏二极管而制作一种敏感性、线性特性好的 纳米硅异质结压力传感器。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。

说明书附图

图1本发明具体实施方式纳米硅异质结压敏二极管结构示意图

图2本发明纳米硅异质结压敏二极管在反向偏置状态不同应力情况 的I-V特性曲线图

图3本发明具体实施方式纳米硅异质结压力传感器结构示意图

图4本发明具体实施方式I部放大图

具体实施方式

如图1所述的本发明纳米硅异质结压敏二极管的具体实施方式， 包括单晶硅基片11、沉积于单晶硅基片上的纳米硅薄膜12、分别与 单晶硅基片和纳米硅薄膜欧姆连接的一对电极13，所述纳米硅薄膜 12与单晶硅基片11构成纳米硅/单晶硅异质结构，所述的单晶硅基 片的平均电阻率为0.0006Ω·cm，载流子浓度为2.4×10²⁰cm^-3，所述纳 米硅薄膜厚度约为3.0μm-8.0μm，所述的单晶硅基片为P⁺型掺杂， 所述纳米硅薄膜为N⁺型掺杂，二者构成N⁺/P⁺型的纳米硅/单晶硅异 质结构，所述的N⁺型纳米硅薄膜为磷掺杂，所述的电极是欧姆连接 于单晶硅基片的Al电极，以及欧姆连接于纳米硅薄膜的In电极。

其制备过程如下：

a、选择厚度约300μm、平均电阻率0.0006Ω·cm、载流子浓度 为2.4×10²⁰cm^-3、单面磨光P⁺型单晶硅为衬底；

b、在1293K温度下，对单晶硅衬底热氧化出约3.0μm-8.0μm 厚SiO₂层，在该SiO₂层上蚀刻约3(π×1²)mm²的方孔；

c、用等离子体化学气相沉积法，以硅烷中通入磷烷作为混合反 应源气，在PECVD反应室内，在衬底方孔中生长掺磷的纳米硅薄膜， 其工艺参数是：

本底极限真空：1.0×10⁴Pa    

混合反应源气掺杂比：PH₃/SiH₄＝8.0vol％-12.0vol％

薄膜生长时选用射频源RF频率：f＝13.56MHz

薄膜生长RF射频功率密度：0.6W/cm²

薄膜生长衬底温度：Ts＝523-573K

薄膜生长负直流偏压：V_b＝-150V

薄膜生长时反应气体压力：P＝1乇(Torr)

d、将方孔外层的纳米硅薄膜通过光刻方法剔除，在方孔内留下 约3.0μm-8.0μm厚的掺磷纳米硅薄膜；

e、用电子束蒸发法在晶体硅基片和纳米硅薄膜(nc-Si:H)上分 别蒸上Al和In作为两个欧姆接触电极，其工艺参数是：

本底极限真空：1.0×10⁴Pa

加热电流：I＝10A

衬底温度：Ts＝423K

电极薄膜的厚度：0.5μm

最终形成电极/(N⁺)nc-Si:H/(P⁺)c-Si/电极的纳米硅/晶体硅异质结压敏 二极管。

外界机械压力下反向I-V关系曲线的分析：

在图2中，反向电流的绝对值I_R比正向电流大，|I_R|＞|I_F|。I_R与反 向电压V_R的关系为I_R＝B₁exp[(V_R)/B₂](其中B₁、B₂分别是电压V_R的缓变函数)，可以用“齐纳隧穿”来解释。当增加负偏压至-6.8V， I_R明显升高。6.8V约等于4E_g/q，E_g≈1.7eV为非晶硅的带隙能量的参 考值，q为基本电荷。纳米硅/单晶硅异质结中，纳米硅一侧的载流 子浓度远小于单晶硅的载流子浓度，异质结势垒主要存在于纳米硅一 侧，而纳米硅晶粒被包含在非晶硅之中。所以，E_g≈1.7eV也可视为纳 米硅的能隙。当负偏压达到6.8V时I_R的急剧上升可理解为纳米硅的 齐纳击穿而非雪崩击穿，因为雪崩击穿要达到电压6E_g/q约记为11V。 在图2中，增加压力导致I_R增大，可归结为压力诱导纳米硅/单晶硅 异质结中的缺陷态(如悬挂健等)密度增加。电压不变时缺陷态密度 与压力成比，导致“齐纳隧穿”几率随压力增强而增大，所以I_R随 压力增强而增大。压力诱导的缺陷态连续地分布在P-N结里，负偏压 增大将扩大异质结势垒区，导致了压力状态下的异质结中被软击穿而 非硬击穿，如图2中所示。同时也说明异质结是被齐纳击穿而非雪崩 击穿，因为雪崩击穿通常是硬击穿。

从以上分析及图2可以进一步发现I_R对压力的敏感度和线性， 展示出将压力信号转化为电信号的有效方法。在测量过程中，一定范 围的压力使电流增加的效果是可逆的。考虑到硅的强度、耐热性和化 学稳定性等，这个纳米硅/单晶硅异质结二极管可当作压力传感器。

本发明对外界机械压力测量的过程：

如图3-4所述的本发明纳米硅异质结压力传感器的具体实施方 式，首先按上述制备工艺制作纳米硅异质结压敏二极管，所述的欧姆 连接于单晶硅基片11(如图4所示)的Al电极13外侧面，正向抵 压有与之欧姆连接并且大小与之适配的压力传递柱2，该压力传递柱 2外端固接有承压台3，且该压力传递柱外侧固接有与之适配的方向 保持架4，方便地将压力传递柱稳定竖直地压在纳米硅异质结压敏二 极管之上，在应力状态下维持压力传递柱不偏离铅直位置。该压力传 递柱电连接皮安表的负极，且此皮安表的正极连接恒压源的负极，该 恒压源正极接地。图3中本实施方式的压力连接柱为金属铝柱，该金 属铝柱相对抵压于Al电极，当然本发明还可以采用其他能与Al电极 形成欧姆连接的金属或者合金材料，比如Cu金属、AuCr合金、AuTi 合金等。所述欧姆连接于纳米硅薄膜的In电极的外侧面抵接设置有 与之欧姆连接的导电基座5，本实施方式该基座为金属钨基座，当然 也可以采用其他能与In电极形成欧姆连接的金属材料，诸如Au金属、 AuGe合金、AuGeNi合金等，以便使纳米硅压敏二极管稳定地安置于 此基座，使得外加压力能够稳定竖直地压在压敏二极管之上，所述的 基座接地，如此就与皮安表、恒压源形成回路并使二极管处于反向偏 置状态，这样可降低噪声的影响。

开启恒压源，设置一定的电压，通过铝压力传递柱的承压台给纳 米硅异质结压敏二极管加载压力。在一定的电压下，通过皮安表测量 该管子在不同外界压力状态下的反向电流值，一定电压下，压力与电 流对应，即通过本发明将压力信号转换成电流信号，把电流值转换并 标定成压力值，就可以直接显示压力了；改变电压，压力与新的电流 值对应，这相当于改变了量程。即，本发明可以将皮安表根据测得的 纳米硅压敏二极管在压力状态下的反向I-V特性曲线进行事先标定， 如此皮安表则直接显示压力读数。