CN100413114C - 一种氧化锌负阻器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化锌负阻器件及其制备方法。该器件是在石英片上自下而上依次沉积欧姆接触电极层、ZnO薄膜层、SiO2薄膜层和表面电极层而构成。其制备步骤如下：先用电子束蒸发在清洗过的石英衬底上沉积欧姆接触电极层；然后将其放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室抽真空，以Zn为靶材，以O2和Ar作为溅射气氛，溅射生长ZnO薄膜；之后用化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶-凝胶方法在ZnO薄膜上沉积SiO2薄膜；再在SiO2薄膜上沉积表面电极。本发明器件实现了氧化锌负阻特性，并且结构和实现方式简单。
Description
技术领域
本发明涉及氧化锌负阻器件及其制备方法。
背景技术
负阻效应指的是在高电场的作用下，半导体导带最低能谷中的电子获得足够的能量而转移到能量略高的卫星谷中，发生能谷间的散射，进入卫星谷的电子有效质量大为增加，迁移率大大降低，平均漂移速度减小，电导率下降，从而使得电流随着电压增大反而减小(参考文献：刘恩科，朱秉升，罗晋生，半导体物理学(1997))。呈现负阻特性的半导体中，n型GaAs和n型InP得到最广泛的研究和应用，而其他许多半导体，如：Ge、GdTe、InAs、InSb、ZnSe、GaInSb、InAsP、GaInAsP、CdCr2Se4等，也都已观察到了这种特性(参考文献：S.M.Sze，Physics of Semiconductor Devices，2nd ed.(1981)；J.B.Gunn，SolidState Comm.，1，88(1963)；J.I.Nishizawa and Y.Watanabe，Japanese Patent(Apr.1957)；K.Sakai，T.Ikoma and Y.Adachi，Electron.Lett，10，402(1974)；R.E.Hayes and R.M.Raymond，Appl.Phys.Lett.，31，300(1977)；Y.Nakano，K.Mitsuzawa，K.Kodama and T.Niimi，Appl.Phys.Lett.，31，755(1977))。以负阻特性为基础得到的转移电子器件是重要的微波器件，已被广泛用做局部震荡器和功率放大器，成为探测***、远程控制和微波测试仪器上所使用的重要的固态微波源。
ZnO是一种重要的宽禁带直接带隙半导体材料。郭宝增等用全带MonteCarlo方法模拟了ZnO的电子稳态和瞬态输运特性，从理论上预测了ZnO材料也具有负阻特性(参考文献：郭宝增，王永青，宗晓萍，孙荣霞，宋登元，UmbertoRavaioli，Maritin Staede，半导体学报，24，723(2003))。但是在实际中却从来没有过报道实现了ZnO的负阻特性。
发明内容
本发明的目的是提出一种氧化锌负阻器件及其制备方法。
本发明的氧化锌负阻发光器件是在石英片上自下而上依次沉积欧姆接触电极层、ZnO薄膜层、SiO2薄膜层和表面电极层而构成。
其中，欧姆接触电极层可以是Al。表面电极层可以采用Al或Au。
氧化锌负阻器件的制备方法，包括以下步骤：
1)用电子束蒸发在清洗过的石英衬底上沉积一层欧姆接触电极；
2)然后移至直流反应磁控溅射装置的反应室中，以O2和Ar作为溅射气氛，O2和Ar的流量比为O2∶Ar＝1∶2～1∶5，在10～20Pa压强下，衬底温度为300℃～600℃，磁控溅射生长ZnO薄膜层；
3)利用化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶-凝胶方法在ZnO薄膜层上沉积SiO2薄膜层；
4)在SiO2薄膜上用溅射或蒸发法沉积表面电极层。
本发明中，当选用溶胶-凝胶法在ZnO薄膜层上沉积SiO2薄膜层，前驱体溶液可以是摩尔比为正硅酸四乙酯(TEOS)∶乙醇(EtOH)∶H2O＝1∶10∶10的溶液，并加入适量的HCl作为催化剂。当选用化学气相沉积法在ZnO薄膜层上沉积SiO2薄膜层，以正硅酸四乙酯(TEOS)为气源，沉积温度为500℃，工作压强为100Torr。当选用电子束蒸发方法在ZnO薄膜层上沉积SiO2薄膜层，以石英为靶材，衬底温度120℃，灯丝电压为8kV，束流为10mA，沉积速率小于
当选用溅射法在ZnO薄膜层上沉积SiO2薄膜层，靶材用3英寸重掺硅靶，衬底温度为350℃，以O2和Ar作为溅射气氛，O2和Ar的流量比为O2∶Ar＝1∶5，工作压强为5Pa，溅射功率为120W。
用本发明方法制备的器件在正向偏压下(负压加在ZnO薄膜上)可以得到ZnO的负阻现象。
本发明优点在于：在ZnO薄膜上引入绝缘层，从而在高场下实现了ZnO的负阻特性。器件的结构和实现方式简单，不需要采用复杂的分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等手段。
附图说明
图1是氧化锌负阻器件结构示意图；
图2是氧化锌负阻器件在正向偏置下的电流-电压曲线，呈现明显的负阻特性。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，发明的氧化锌负阻器件是在石英片1上自下而上依次沉积欧姆接触电极层2、ZnO薄膜层3、SiO2薄膜层4和表面电极层5而构成。
实施例1
采取如下工艺步骤：1)石英片清洗后用电子束蒸发在其表面沉积一层Al做为ZnO的欧姆接触电极；然后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至1×10-3Pa；利用反应直流溅射的方法沉积厚度约为300nm的ZnO薄膜，在溅射时，采用Zn靶、衬底温度300℃、溅射功率120W、通以O2和Ar混合气体，O2和Ar的流量比为1∶2，工作压强为10Pa；2)采用摩尔比为正硅酸四乙酯(TEOS)∶乙醇(EtOH)∶H2O＝1∶10∶10的前驱体溶液，并加入适量的HCl作为催化剂，利用溶胶-凝胶方法在ZnO薄膜上旋涂沉积厚度约为200nm的SiO2薄膜，旋涂后在80℃下烘干20分钟，然后在650℃于氧气下热处理2小时；3)在SiO2薄膜上电子束蒸发100nm厚的Al膜。
实施例2
采取如下工艺步骤：1)石英片清洗后用电子束蒸发在其表面沉积一层Al电极；然后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至5×10-3Pa；利用反应直流溅射的方法沉积厚度约为300nm的ZnO薄膜，在溅射时，采用Zn靶、衬底温度500℃、溅射功率120W、通以O2和Ar混合气体，O2和Ar的流量比为1∶3，工作压强为20Pa，2)以石英为靶材，利用电子束蒸发方法在ZnO薄膜上沉积厚度约为100nm的SiO2薄膜；3)在SiO2薄膜上溅射沉积100nm厚的Au薄膜。
实施例3
采取如下工艺步骤：1)石英片清洗后用电子束蒸发在其表面沉积一层Al电极；然后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至3×10-3Pa；利用反应直流溅射的方法沉积厚度约为300nm的ZnO薄膜，在溅射时，采用Zn靶、衬底温度500℃、溅射功率120W、通以O2和Ar混合气体，O2和Ar的流量比为1∶5，工作压强为20Pa；2)以正硅酸四乙酯(TEOS)为气源，利用化学气相沉积方法在ZnO薄膜上沉积厚度约为100nm的SiO2薄膜，沉积温度为500℃，工作压强为100Torr；3)在SiO2薄膜上电子束蒸发一层50nm厚的Al膜。
图2给出了通过上述方法获得的器件在室温下测得的正向电流-电压曲线(负压加在ZnO上)。从图中可以看出，随着电压的增大，电流先是指数增大，等电压增大到一定值后，再继续增大电压，电流开始减小，这是典型的负阻特征。
Claims (4)
1. 氧化锌负阻器件，其特征是在石英片(1)上自下而上依次沉积欧姆接触电极层(2)、ZnO薄膜层(3)、SiO2薄膜层(4)和表面电极层(5)而构成。
2. 根据权利要求1所述的氧化锌负阻器件，其特征是欧姆接触电极层(2)为Al。
3. 根据权利要求1所述的氧化锌负阻器件，其特征是表面电极层(5)为Al或Au。
4. 根据权利要求1所述的氧化锌负阻器件的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1)用电子束蒸发在清洗过的石英衬底上沉积一层欧姆接触电极；
2)然后移至直流反应磁控溅射装置的反应室中，以O2和Ar作为溅射气氛，O2和Ar的流量比为O2∶Ar＝1∶2～1∶5，在10～20Pa压强下，衬底温度为300℃～500℃，磁控溅射生长ZnO薄膜层；
3)利用化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶-凝胶方法在ZnO薄膜层上沉积SiO2薄膜层；
4)在SiO2薄膜上用溅射或蒸发法沉积表面电极层。
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