具有電流控制電阻效應的摻雜半導體/絕緣體/半導體材料的製作方法

2023-06-08 06:46:01

專利名稱：具有電流控制電阻效應的摻雜半導體/絕緣體/半導體材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於信息傳感材料中的電學量傳感器結構材料，特別涉及用PLD方法製備的一種具有電流控制電阻效應的摻雜半導體/絕緣體/半導體材料技術背景電流控制電阻效應是指材料的電阻隨測量電流的變化而變化。2002年Tang J等人在「Journal of applied physics，2002，91(10)8411-8413」中報導了具有電流控制電阻效應的Fe3C島狀薄膜材料在300K的條件下，當測量電流從10微安增加到1000微安時，材料的電阻增加了大約5倍。電流控制電阻效應有希望用於開發新一代的非磁性的隨機存取存儲器。此外，可以利用該效應開發新的電學量傳感器。

發明內容
本發明的目的是提供一種具有電流控制電阻效應的摻雜半導體/絕緣體/半導體材料。其特徵在於所述摻雜半導體用金屬原子比含量為1-70％的比例壓成金屬-石墨複合冷壓靶材，在真空鍍膜室中，用PLD方法在3-5Pa氬氣條件下，基片在恆定溫度300K下沉積，在Si(100)基片上，獲得金屬摻雜的半導體/絕緣體/半導體結構材料。
所述絕緣體界面層是在沉積過程中在基體矽和摻雜金屬的碳膜之間自然擴散形成一層非晶碳化矽過渡層，其厚度為2-3納米，而金屬摻雜的半導體薄膜的厚度為30-120納米，基體半導體矽的厚度為1毫米。
所述摻雜金屬包括鐵、鈷、鎳。
本發明的有益效果是1.採用的原材料成本低，在室溫下具有高性能的電流控制電阻效應。在300K的條件下，當測量電流從50微安增加到500微安時，該材料的電阻增加了大約3倍，並且該材料的伏安特性曲線不對稱，即用數值相同的正向和反向電流測得的電阻值不同。2.該材料在無外加電場的情況下存在一個較大的本徵偏壓，大小約為0.0027伏特，利用該特性可設計新型傳感器。3.採用PLD方法，利用冷壓靶材沉積，可得薄膜厚度約為30-120nm。方法簡單，工藝穩定，具有很高的製備效率。


圖1為所得到金屬摻雜的半導體/絕緣體/半導體結構材料的截面TEM像的示意圖。
圖2為Fe0.011-C0.989膜/SiC/Si結構材料的不同測量電流時電阻隨溫度的變化。
圖3為Fe0.011-C0.989膜/SiC/Si結構材料的伏安特性曲線。
圖4為Fe0.011-C0.989膜/SiC/Si結構材料的非零偏壓實驗曲線。
具體實施例方式
本發明為一種用PLD方法製備的具有電流控制電阻效應的摻雜半導體/絕緣體/半導體材料。所用靶材為金屬-石墨冷壓靶材，其金屬含量(原子比)為1-70％。在具體實施中，所用靶材的比例為Fe0.011-C0.989、Fe0.051-C0.949、Fe0.125-C0.875、Ni0.01-C0.89、Ni0.02-C0.98、Ni0.1-C0.9、Ni0.2-C0.8、Co0.02-C0.98、Co0.1-C0.9、Co0.3-C0.5、Co0.6-C0.4、Co0.7-C0.3等。其製備方法是在真空鍍膜室中用PLD方法，在Si(100)基片1上，在3-5Pa氬氣條件下，基片1在恆定溫度下沉積，獲得具有金屬摻雜的半導體(Fe0.011-C0.989膜)/絕緣體(SiC)/半導體(Si)結構材料。具體工藝為在真空鍍膜室中進行由KrF雷射器(Lambda Physics LPX205，248nm，25ns FWHM)在真空鍍膜室中沉積，雷射重複頻率控制在10HZ，單脈衝能量為250-300mJ，通過焦距為75cm的透鏡會聚到靶上。靶與雷射束夾角約為45°，雷射束在靶材上的束斑大小約為0.4cm×0.6cm。靶基距為4cm。沉積時間為1-10分鐘。實驗中所用基片為n型Si(100)，大小約為1cm×0.5cm。沉積過程中溫度保持在300℃。靶材為冷壓Fe0.011-C0.989靶材，靶直徑為18mm，厚5mm。實驗前，先將基片依次放入丙酮和酒精中用超聲波清洗10min，然後用HF酸腐蝕。實驗中，抽真空至＜5×10-4Pa以後加熱基片至300℃，然後通入氬氣至3-5Pa。沉積結束後，薄膜自然冷卻至室溫。膜厚度由SEM測量；形貌通過TEM和SEM觀察確定；電學性能由SQUID(超導量子磁強計)測量。薄膜厚度約為30-120nm。在同樣製備條件下，不同靶材成分，其薄膜厚度不同。在沉積過程中在基體半導體矽1和摻雜金屬的碳膜之間自然形成一層非晶碳化矽過渡層2，其厚度為2-3納米，而金屬摻雜的半導體薄膜3的厚度為30-120納米，基體半導體矽1的厚度為1毫米。進而形成了Fe0.011-C0.989/SiC/Si結構材料，其截面TEM像如圖1所示，摻雜金屬層為Fe3C，絕緣體為SiC，基體半導體為Si(100)。電流控制電阻性能(如圖2、圖3、圖4所示)，該材料在溫度為300K條件下，當測量電流從50微安增加到500微安時，電阻增加了大約3倍。同樣大小的測量電流(例如500微安)，測得材料的電阻分別為637.3歐(正向電流)和485.8歐(反向電流)。該材料在無外加電場的情況下存在一個較大的本徵偏壓，大小約為0.0027伏特，利用該特性可設計新型傳感器。金屬摻雜的半導體薄膜/絕緣體夾層/半導體基體(M-S/I/S)的結構材料性能奇特而優越，是一種很有前途的電學傳感器材料。
權利要求
1.一種具有電流控制電阻效應的摻雜半導體/絕緣體/半導體材料，其特徵在於所述摻雜半導體是用金屬原子比含量為1-70％的比例壓成金屬-石墨複合冷壓靶材，用PLD方法在真空鍍膜室中得到的金屬摻雜的半導體/絕緣體/半導體的結構材料。
2.根據權利要求1所述具有電流控制電阻效應的摻雜半導體/絕緣體/半導體材料，其特徵在於所述絕緣體界面層是在沉積過程中在基體矽和摻雜金屬的碳膜之間自然擴散形成一層非晶碳化矽過渡層。
3.根據權利要求1所述具有電流控制電阻效應的摻雜半導體/絕緣體/半導體材料，其特徵在於所述摻雜金屬包括鐵、鈷或鎳。
全文摘要
本發明公開了屬於電學量傳感器材料的用PLD方法製備的一種具有電流控制電阻效應的半導體/絕緣體/半導體結構材料。該材料是在Si(100)基片上，用不同比例的金屬－石墨複合冷壓靶材，用PLD方法在一定溫度下沉積得到的。該材料在無外加電場的情況下存在一個較大的本徵偏壓，大小約為0.0027伏特，利用該特性可設計新型傳感器。金屬摻雜的半導體/絕緣體/半導體的結構材料，是一種很有前途的電學傳感器材料。
文檔編號H01C7/13GK1547220SQ20031011719
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月5日 優先權日2003年12月5日
發明者章曉中, 薛慶忠, 張麗娜 申請人:清華大學