n型氧化鋅/p型金剛石異質結隧道二極體及其製作方法

2023-10-17 13:34:04

專利名稱：n型氧化鋅/p型金剛石異質結隧道二極體及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用熱蒸發法在P型金剛石生長η型氧化鋅(ZnO)納米結構形成異質結結構，並製作具有負阻特性的隧道二極體器件的方法，屬於半導體材料及其製備的 技術領域。
背景技術：
ρ-η結半導體器件中，有一類器件，在某一電壓範圍內，出現隨著電壓的增大，電流 反而減小的現象，即負阻特性，這類器件稱為Ρ-η結隧道二極體。隧道二極體具有很多的用 途，如微波放大、高速開關、雷射振動源等，已被廣泛用作局部振蕩器和功率放大器，成為探 測系統、遠程控制和微波測試儀器上所使用的重要的固態微波源。隧道二極體的噪聲較低， 工作穩定範圍大。另外由於隧道效應本質上是一量子躍遷的過程，使隧道二極體可在極高 的頻率下工作。這些優點，使隧道結得到了廣泛的應用。ZnO是一種具有寬帶隙和高激子束縛能的半導體材料，由於自補償效應，η型ZnO 容易得到。金剛石也是重要的半導體材料，具有高熱導率、寬帶隙、高激子束縛能、微波高透 過率等性質，通過硼摻雜，可得到P型金剛石。本發明專利提出的一種η型ΖηΟ/ρ型金剛石異質結隧道二極體及其製作方法，尚 未見相近的專利、文獻報導。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，使用熱蒸發法，在化學氣相沉積(CVD)多晶金剛石 膜或CVD金剛石單晶上生長ZnO納米結構，當CVD金剛石是ρ-型摻雜時，可以製備出具有 負阻特性的n-ZnO/p-diamond異質結隧道二極體器件。本發明利用熱蒸發法，在硼摻雜CVD金剛石(Diamond)上生長ZnO納米結構，如納 米棒(ZnO nanorods,ZnO NRs)，並製作 η 型 ΖηΟ/ρ 型金剛石(n-ZnO/p-diamond)異質結隧
道二極體器件。本發明的具體技術方案一種η型氧化鋅/p型金剛石異質結隧道二極體，所述的ρ型金剛石是硼摻雜的多 晶金剛石膜或硼摻雜的金剛石單晶，其特徵在於，所述的η型氧化鋅是氧化鋅納米棒、納米 線或納米管陣列結構，豎直生長在P型金剛石上；導電玻璃的導電面與氧化鋅納米結構接 觸作為導電陰極，P-型金剛石作為導電陽極；用電極銀漿在導電陰極和導電陽極上分別連 接銅導線。本發明的η型氧化鋅/p型金剛石異質結隧道二極體的製作方法，按下述步驟進 行第1步，生長P型金剛石，即，生長硼摻雜的ρ型CVD多晶金剛石膜或硼摻雜的ρ 型CVD金剛石單晶。可以使用微波等離子體CVD、熱燈絲CVD、直流熱陰極CVD或直流噴射 CVD方法，這些方法都是現有成形的技術；使用硼烷或硼酸三甲酯作硼源；對於CVD多晶金剛石膜，可使用矽為襯底，而對於CVD金剛石單晶，可使用天然金剛石單晶、高溫高壓人造 金剛石單晶或CVD金剛石單晶作襯底。
第2步，在P型金剛石上生長η型ZnO納米結構。利用熱蒸發法，將質量比1 1 的蒸發源ZnO和鋁粉或石墨粉還原劑的混合物放入石英管，ρ型金剛石放置在石英管內蒸 發源的下遊；將石英管放置於管式爐加熱區，使蒸發源位於850 IlOiTC處，ρ型金剛石位 於500 700°C處，在常壓或1(Γ4 ICT5Pa氣壓或通入Ar氣100 400sccm條件下反應 10 60分鐘，將石英管取出；ρ型金剛石上生長有一層白灰色物質，該物質是η型ZnO納米 棒、納米線或納米管陣列結構。在ρ型金剛石上生長η型ZnO納米結構也可以利用金屬有機物化學氣相沉積 (MOCVD)法、水熱法等。第3步，製作電極。將導電玻璃(ITO)的導電面向下壓在η型ZnO納米棒、納米線 或納米管陣列上作為導電陰極，P型金剛石做陽極。使用電極銀漿連接銅導線，做歐姆電極。 之後可以進行ZnO NRs/p-diamond異質結電學性質電流-電壓(I-V)特性曲線測試。熱蒸發法製備η型氧化鋅/p型金剛石異質結隧道二極體，具有多個優點，以η型 氧化鋅和P型金剛石兩層結構製備隧道二極體，不需要採用以往的多層複雜結構，並且該 器件實現了較大電流峰谷比的η-型ZnO納米棒/P-型金剛石隧道二極體，與其他的製備方 法相比，該方法器件結構、實現方式簡單、可控性強、晶體質量高，製造廉價等優點。


圖1是在CVD多晶金剛石膜上生長ZnO納米棒陣列的SEM圖。圖2是在CVD多晶金剛石膜上生長ZnO納米棒的XRD譜。圖3是在CVD金剛石單晶上生長ZnO納米棒陣列的SEM圖。圖4是n-ZnO NRs/p-diamond異質結隧道二極體的結構示意圖。圖5是n-ZnO NRs/p-diamond異質結隧道二極體的I-V負阻特性曲線。
具體實施例方式實施例1 結合

本發明的隧道二極體的結構η-型氧化鋅/p-型金剛石異質結隧道二極體的結構如圖4所示。圖4中，1為ρ 型金剛石，為摻硼的CVD金剛石膜或摻硼的CVD金剛石單晶，2為η型ΖηΟ，可以是氧化鋅納 米棒、氧化鋅納米線、氧化鋅納米管的陣列材料，生長在P型金剛石上，3為導電玻璃(ITO)， 4為電極銀漿。導電玻璃3的導電面向下壓在η型ZnO納米棒陣列上作為導電陰極，ρ-型 金剛石膜作陽極。使用電極銀漿4連接銅導線，作歐姆電極。用導線將其與Keithley 2400數字源表連接，進行器件的I_V特性曲線測試。圖5 給出n-ZnO NRs/p-diamond異質結的I-V特性曲線。從圖5中可以看出，該異質結在-4V至 +2V之間具有良好的整流特性，其開啟電壓為 0. 7V，正向偏壓為2V時，整流比約為115。 當電壓增大到2. 17V後，再繼續增大電壓，電流開始減小，呈現負阻現象，電流峰谷比為10。 負阻現象出現是隧道二極體的典型特性。實施例2 :p型CVD多晶金剛石膜生長η型ZnO納米棒及隧道二極體器件的製作。 使用微波等離子體CVD方法製備硼摻雜ρ-型金剛石膜。P型CVD多晶金剛石膜的生長條件參數襯底採用P-型Si，微波功率300 1000W，壓強7 8kPa，氫氣流量到200 300SCCm，甲烷氣體流量為4 6sCCm，硼源使用硼烷或硼酸三甲酯，硼烷或硼酸三甲 酯由氫氣攜帶流入反應室，流量為10 20sCCm，襯底溫度保持在700 1000°C，薄膜的生 長時間為3 24小時。生長硼摻雜的ρ-型CVD多晶金剛石膜的設備、方法，除使用微波等離子體CVD方 法外，還可以使用熱燈絲CVD方法、直流熱陰極CVD方法或直流噴射CVD方法。使用熱蒸發法製備ZnO納米棒。將蒸發源微米級ZnO粉末與還原劑鋁粉按照1 1 質量配比作為原料，均勻混合放置於石英管一端，將P-型CVD多晶金剛石膜放在石英管內 蒸發源的下遊收集樣品。使用管式爐加熱，爐子升溫至約900°C，將石英管放入爐內，蒸發源 置於溫度為850°C處，ρ-型CVD多晶金剛石膜置於溫度為500°C處，在常壓下反應30分鐘 後將試管取出，在P-型CVD多晶金剛石膜上得到ZnO納米棒陣列結構。產物的SEM形貌見 圖1，相應的XRD譜見圖2。將蒸發源置於溫度為1100°C，ρ-型金剛石溫度為700°C，生長 10分鐘也可以得到ZnO納米棒陣列結構。ZnO納米結構不局限於納米棒，納米線、納米管等同樣可獲得負阻隧道二極體。納 米線、納米管的製備也可以使用熱蒸發法。使用ZnO蒸發源和鋁粉還原劑混合，將蒸發源置 於溫度為850°C，ρ型金剛石溫度為500 700°C，10_4 KT5Pa氣壓下，生長10 60分鐘 也可以實現ZnO納米線陣列結構的製備。使用ZnO蒸發源和石墨粉還原劑混合，將蒸發源 置於溫度為1100°C，ρ型金剛石溫度為500 700°C，通入Ar氣100 400sCCm，生長10 60分鐘也可以實現ZnO納米管陣列結構的製備。實施例3 :p型CVD金剛石單晶生長η型ZnO納米棒及隧道二極體器件的製作。用微波等離子體CVD方法製備硼摻雜ρ型CVD金剛石單晶。硼摻雜ρ型CVD金剛 石單晶生長，是使用硼烷或硼酸三甲酯作硼源，使用天然金剛石單晶、高溫高壓人造金剛石 單晶或CVD金剛石單晶作襯底。將實施例2中的硼摻雜ρ型CVD金剛石多晶膜替換為硼摻雜ρ型CVD金剛石單晶， 其他具體步驟同實施例2，在ρ型CVD金剛石單晶上生長ZnO納米結構。電極製作同實施例2。
權利要求
一種n型氧化鋅/p型金剛石異質結隧道二極體，所述的p型金剛石(1)是硼摻雜的多晶金剛石膜或硼摻雜的金剛石單晶，其特徵在於，所述的n型氧化鋅(2)是氧化鋅納米棒、納米線或納米管陣列結構，豎直生長在p型金剛石(1)上；導電玻璃(3)的導電面與氧化鋅納米結構接觸作為導電陰極，p-型金剛石(1)作為導電陽極；用電極銀漿(4)在導電陰極和導電陽極上分別連接銅導線。
2.—種權利要求1的η型氧化鋅/p型金剛石異質結隧道二極體的製作方法，按下述步 驟進行，第1步，生長P型金剛石(1)使用微波等離子體CVD方法、熱燈絲CVD方法、直流熱 陰極CVD方法或直流噴射CVD方法；使用硼烷或硼酸三甲酯作硼源；對於CVD多晶金剛石 膜，使用矽為襯底，對於CVD金剛石單晶，使用天然金剛石單晶、高溫高壓人造金剛石單晶 或CVD金剛石單晶作襯底；第2步，在ρ型金剛石(1)上生長η型氧化鋅(2)納米結構將質量比1 1的蒸發源 ZnO和鋁粉或石墨粉還原劑的混合物放入石英管，ρ型金剛石(1)放置在石英管內蒸發源的 下遊；將石英管放置於管式爐加熱區，使蒸發源位於850 IlOiTC處，ρ型金剛石(1)位於 500 700°C處，在常壓或1(Γ4 ICT5Pa氣壓或通入Ar氣100 400sccm條件下反應10 60分鐘，將石英管取出；ρ型金剛石(1)上生長有一層白灰色的氧化鋅納米棒、納米線或納 米管陣列結構；第3步，製作電極將導電玻璃(3)的導電面向下壓在η型氧化鋅(2)納米棒、納米線 或納米管陣列上作為導電陰極，P型金剛石(1)做陽極，使用電極銀漿(4)連接銅導線，做 歐姆電極。
全文摘要
本發明的n型氧化鋅/p型金剛石異質結隧道二極體及其製作方法屬於半導體材料及其製備的技術領域。隧道二極體結構是n型氧化鋅(2)是氧化鋅納米陣列結構豎直生長在p型金剛石(1)上；導電玻璃(3)與氧化鋅納米結構接觸作為導電陰極，p-型金剛石(1)作為導電陽極。製作過程是在矽或金剛石單晶襯底上生長p型金剛石，熱蒸發法在p型金剛石上生長n型氧化鋅(2)納米結構，最後製作電極。本發明的具有負阻特性的隧道二極體不需要採用以往的多層複雜結構，具有較大電流峰谷比；其製備方法具有簡單、可控性強、晶體質量高、製造廉價等優點。
文檔編號H01L29/267GK101807606SQ201010117449
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月4日 優先權日2010年3月4日
發明者呂憲義, 李紅東, 桑丹丹 申請人:吉林大學