專利名稱：n型氧化鋅/p型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用熱蒸發(fā)法在P型金剛石生長(zhǎng)η型氧化鋅(ZnO)納米結(jié)構(gòu)形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，并制作具有負(fù)阻特性的隧道二極管器件的方法，屬于半導(dǎo)體材料及其制備的 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ρ-η結(jié)半導(dǎo)體器件中，有一類器件，在某一電壓范圍內(nèi)，出現(xiàn)隨著電壓的增大，電流 反而減小的現(xiàn)象，即負(fù)阻特性，這類器件稱為Ρ-η結(jié)隧道二極管。隧道二極管具有很多的用 途，如微波放大、高速開關(guān)、激光振動(dòng)源等，已被廣泛用作局部振蕩器和功率放大器，成為探 測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制和微波測(cè)試儀器上所使用的重要的固態(tài)微波源。隧道二極管的噪聲較低， 工作穩(wěn)定范圍大。另外由于隧道效應(yīng)本質(zhì)上是一量子躍遷的過程，使隧道二極管可在極高 的頻率下工作。這些優(yōu)點(diǎn)，使隧道結(jié)得到了廣泛的應(yīng)用。ZnO是一種具有寬帶隙和高激子束縛能的半導(dǎo)體材料，由于自補(bǔ)償效應(yīng)，η型ZnO 容易得到。金剛石也是重要的半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、寬帶隙、高激子束縛能、微波高透 過率等性質(zhì)，通過硼摻雜，可得到P型金剛石。本發(fā)明專利提出的一種η型ΖηΟ/ρ型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管及其制作方法，尚 未見相近的專利、文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，使用熱蒸發(fā)法，在化學(xué)氣相沉積(CVD)多晶金剛石 膜或CVD金剛石單晶上生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)，當(dāng)CVD金剛石是ρ-型摻雜時(shí)，可以制備出具有 負(fù)阻特性的n-ZnO/p-diamond異質(zhì)結(jié)隧道二極管器件。本發(fā)明利用熱蒸發(fā)法，在硼摻雜CVD金剛石(Diamond)上生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)，如納 米棒(ZnO nanorods,ZnO NRs)，并制作 η 型 ΖηΟ/ρ 型金剛石(n-ZnO/p-diamond)異質(zhì)結(jié)隧
道二極管器件。本發(fā)明的具體技術(shù)方案一種η型氧化鋅/p型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管，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，其特征在于，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(jié)構(gòu)，豎直生長(zhǎng)在P型金剛石上；導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面與氧化鋅納米結(jié)構(gòu)接 觸作為導(dǎo)電陰極，P-型金剛石作為導(dǎo)電陽極；用電極銀漿在導(dǎo)電陰極和導(dǎo)電陽極上分別連 接銅導(dǎo)線。本發(fā)明的η型氧化鋅/p型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管的制作方法，按下述步驟進(jìn) 行第1步，生長(zhǎng)P型金剛石，即，生長(zhǎng)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?？梢允褂梦⒉ǖ入x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(xiàn)有成形的技術(shù)；使用硼烷或硼酸三甲酯作硼源；對(duì)于CVD多晶金剛石膜，可使用硅為襯底，而對(duì)于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(zhǎng)η型ZnO納米結(jié)構(gòu)。利用熱蒸發(fā)法，將質(zhì)量比1 1 的蒸發(fā)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(nèi)蒸 發(fā)源的下游；將石英管放置于管式爐加熱區(qū)，使蒸發(fā)源位于850 IlOiTC處，ρ型金剛石位 于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(yīng) 10 60分鐘，將石英管取出；ρ型金剛石上生長(zhǎng)有一層白灰色物質(zhì)，該物質(zhì)是η型ZnO納米 棒、納米線或納米管陣列結(jié)構(gòu)。在ρ型金剛石上生長(zhǎng)η型ZnO納米結(jié)構(gòu)也可以利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)法、水熱法等。第3步，制作電極。將導(dǎo)電玻璃(ITO)的導(dǎo)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(dǎo)電陰極，P型金剛石做陽極。使用電極銀漿連接銅導(dǎo)線，做歐姆電極。 之后可以進(jìn)行ZnO NRs/p-diamond異質(zhì)結(jié)電學(xué)性質(zhì)電流-電壓(I-V)特性曲線測(cè)試。熱蒸發(fā)法制備η型氧化鋅/p型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管，具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，以η型 氧化鋅和P型金剛石兩層結(jié)構(gòu)制備隧道二極管，不需要采用以往的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且該 器件實(shí)現(xiàn)了較大電流峰谷比的η-型ZnO納米棒/P-型金剛石隧道二極管，與其他的制備方 法相比，該方法器件結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、晶體質(zhì)量高，制造廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是在CVD多晶金剛石膜上生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列的SEM圖。圖2是在CVD多晶金剛石膜上生長(zhǎng)ZnO納米棒的XRD譜。圖3是在CVD金剛石單晶上生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列的SEM圖。圖4是n-ZnO NRs/p-diamond異質(zhì)結(jié)隧道二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是n-ZnO NRs/p-diamond異質(zhì)結(jié)隧道二極管的I-V負(fù)阻特性曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 結(jié)合

本發(fā)明的隧道二極管的結(jié)構(gòu)η-型氧化鋅/p-型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)在P型金剛石上，3為導(dǎo)電玻璃(ITO)， 4為電極銀漿。導(dǎo)電玻璃3的導(dǎo)電面向下壓在η型ZnO納米棒陣列上作為導(dǎo)電陰極，ρ-型 金剛石膜作陽極。使用電極銀漿4連接銅導(dǎo)線，作歐姆電極。用導(dǎo)線將其與Keithley 2400數(shù)字源表連接，進(jìn)行器件的I_V特性曲線測(cè)試。圖5 給出n-ZnO NRs/p-diamond異質(zhì)結(jié)的I-V特性曲線。從圖5中可以看出，該異質(zhì)結(jié)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(shí)，整流比約為115。 當(dāng)電壓增大到2. 17V后，再繼續(xù)增大電壓，電流開始減小，呈現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象，電流峰谷比為10。 負(fù)阻現(xiàn)象出現(xiàn)是隧道二極管的典型特性。實(shí)施例2 :p型CVD多晶金剛石膜生長(zhǎng)η型ZnO納米棒及隧道二極管器件的制作。 使用微波等離子體CVD方法制備硼摻雜ρ-型金剛石膜。P型CVD多晶金剛石膜的生長(zhǎng)條件參數(shù)襯底采用P-型Si，微波功率300 1000W，壓強(qiáng)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(yīng)室，流量為10 20sCCm，襯底溫度保持在700 1000°C，薄膜的生 長(zhǎng)時(shí)間為3 24小時(shí)。生長(zhǎng)硼摻雜的ρ-型CVD多晶金剛石膜的設(shè)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(fā)法制備ZnO納米棒。將蒸發(fā)源微米級(jí)ZnO粉末與還原劑鋁粉按照1 1 質(zhì)量配比作為原料，均勻混合放置于石英管一端，將P-型CVD多晶金剛石膜放在石英管內(nèi) 蒸發(fā)源的下游收集樣品。使用管式爐加熱，爐子升溫至約900°C，將石英管放入爐內(nèi)，蒸發(fā)源 置于溫度為850°C處，ρ-型CVD多晶金剛石膜置于溫度為500°C處，在常壓下反應(yīng)30分鐘 后將試管取出，在P-型CVD多晶金剛石膜上得到ZnO納米棒陣列結(jié)構(gòu)。產(chǎn)物的SEM形貌見 圖1，相應(yīng)的XRD譜見圖2。將蒸發(fā)源置于溫度為1100°C，ρ-型金剛石溫度為700°C，生長(zhǎng) 10分鐘也可以得到ZnO納米棒陣列結(jié)構(gòu)。ZnO納米結(jié)構(gòu)不局限于納米棒，納米線、納米管等同樣可獲得負(fù)阻隧道二極管。納 米線、納米管的制備也可以使用熱蒸發(fā)法。使用ZnO蒸發(fā)源和鋁粉還原劑混合，將蒸發(fā)源置 于溫度為850°C，ρ型金剛石溫度為500 700°C，10_4 KT5Pa氣壓下，生長(zhǎng)10 60分鐘 也可以實(shí)現(xiàn)ZnO納米線陣列結(jié)構(gòu)的制備。使用ZnO蒸發(fā)源和石墨粉還原劑混合，將蒸發(fā)源 置于溫度為1100°C，ρ型金剛石溫度為500 700°C，通入Ar氣100 400sCCm，生長(zhǎng)10 60分鐘也可以實(shí)現(xiàn)ZnO納米管陣列結(jié)構(gòu)的制備。實(shí)施例3 :p型CVD金剛石單晶生長(zhǎng)η型ZnO納米棒及隧道二極管器件的制作。用微波等離子體CVD方法制備硼摻雜ρ型CVD金剛石單晶。硼摻雜ρ型CVD金剛 石單晶生長(zhǎng)，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(shí)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(shí)施例2，在ρ型CVD金剛石單晶上生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)。電極制作同實(shí)施例2。
權(quán)利要求
一種n型氧化鋅/p型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管，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，其特征在于，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(jié)構(gòu)，豎直生長(zhǎng)在p型金剛石(1)上；導(dǎo)電玻璃(3)的導(dǎo)電面與氧化鋅納米結(jié)構(gòu)接觸作為導(dǎo)電陰極，p-型金剛石(1)作為導(dǎo)電陽極；用電極銀漿(4)在導(dǎo)電陰極和導(dǎo)電陽極上分別連接銅導(dǎo)線。
2.—種權(quán)利要求1的η型氧化鋅/p型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管的制作方法，按下述步 驟進(jìn)行，第1步，生長(zhǎng)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(duì)于CVD多晶金剛石 膜，使用硅為襯底，對(duì)于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(zhǎng)η型氧化鋅(2)納米結(jié)構(gòu)將質(zhì)量比1 1的蒸發(fā)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(nèi)蒸發(fā)源的 下游；將石英管放置于管式爐加熱區(qū)，使蒸發(fā)源位于850 IlOiTC處，ρ型金剛石(1)位于 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(yīng)10 60分鐘，將石英管取出；ρ型金剛石(1)上生長(zhǎng)有一層白灰色的氧化鋅納米棒、納米線或納 米管陣列結(jié)構(gòu)；第3步，制作電極將導(dǎo)電玻璃(3)的導(dǎo)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(dǎo)電陰極，P型金剛石(1)做陽極，使用電極銀漿(4)連接銅導(dǎo)線，做 歐姆電極。
全文摘要
本發(fā)明的n型氧化鋅/p型金剛石異質(zhì)結(jié)隧道二極管及其制作方法屬于半導(dǎo)體材料及其制備的技術(shù)領(lǐng)域。隧道二極管結(jié)構(gòu)是n型氧化鋅(2)是氧化鋅納米陣列結(jié)構(gòu)豎直生長(zhǎng)在p型金剛石(1)上；導(dǎo)電玻璃(3)與氧化鋅納米結(jié)構(gòu)接觸作為導(dǎo)電陰極，p-型金剛石(1)作為導(dǎo)電陽極。制作過程是在硅或金剛石單晶襯底上生長(zhǎng)p型金剛石，熱蒸發(fā)法在p型金剛石上生長(zhǎng)n型氧化鋅(2)納米結(jié)構(gòu)，最后制作電極。本發(fā)明的具有負(fù)阻特性的隧道二極管不需要采用以往的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有較大電流峰谷比；其制備方法具有簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、晶體質(zhì)量高、制造廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L29/267GK101807606SQ201010117449
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者呂憲義, 李紅東, 桑丹丹 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)