CN101645464A - 具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结及其制备方法 - Google Patents
具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结,该p-n异质结由p型半导体材料铽锰氧TbMnO3和n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3构成。本发明的铽锰氧p-n异质结是采用脉冲激光沉积方法制备得到,经该方法制得的p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体p-n异质结,更特别地说,是指一种具有双向整流特性的铽锰氧(TbMnO3)p-n异质结及其制备方法。
背景技术
钙钛矿氧化物具有介电、铁电、压电、光电、超导、巨磁电阻以及光学非线性等很多吸引人的特性与效应。尽管钙钛矿型氧化物的性质各异,但大部分在结构上具有很好的相容性。随着制膜技术的进步和对薄膜特性研究的深入,对于完全钙钛矿氧化物器件的探索也越来越多,如肖特基结、p-n结、场效应管等。
钙钛矿锰基氧化物一般呈绝缘体或p型半导体特性,如TbMnO3和LaMnO3,二价阳离子掺杂以后,在掺杂比例大时表现出金属特性,属空穴掺杂,如La0.67Ca0.33MnO3,La0.67Ba0.33MnO3,La0.67Sr0.33MnO3等。
铌Nb掺杂的SrTiO3实质上是电子掺杂,表现出n型掺杂的特性。低浓度铌Nb掺杂的SrTiO3是优良的半导体,与金属接触表现出良好的Schottky整流特性,而高浓度铌Nb掺杂的SrTiO3则表现出金属特性。
钙钛矿锰基氧化物与Nb-SrTiO3接触后,在界面会形成p-n结,p-n结具有较好的整流特性。
近年来,由于磁-铁电现象在磁电和磁光等装置上的潜在应用前景,人们对磁-铁电材料和物理的研究增加。最近,在磁-铁电材料的TbMnO3中发现大的磁电和磁容效应,这为实现磁场和电场的多重控制提供了可能。基于过渡金属钙钛矿氧化物TbMnO3中有很多优异的物理性能,正在开发它们在器件方面的应用。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结,该p-n异质结由p型半导体材料铽锰氧TbMnO3和n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3构成。
本发明的目的之二是提出一种采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,经该方法制得的p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性。
本发明具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的优点在于:
(1)由p型半导体材料铽锰氧TbMnO3和n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3构成。
(2)该p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性。
(3)制备方法可控、操作简单、重复性好。
附图说明
图1是PLD装置沉积系统简示图。
图2是本发明实施例1研磨烧结后TbMnO3粉的XRD图。
图3是采用本发明实施例1制备步骤得到的TbMnO3薄膜的XRD图。
图4是采用本发明实施例1制备步骤得到的TbMnO3薄膜的SEM图。
图5是采用本发明实施例1制备步骤得到的铽锰氧p-n异质结的电流电压特性随温度变化图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结,该p-n异质结由p型半导体材料铽锰氧TbMnO3和n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3构成。
脉冲激光沉积(PLD)是80年代后期发展起来的新型薄膜制备技术。相对其他薄膜制备技术,PLD具有沉积速度快,靶、膜成分一致,生长过程中可原位引入多种气体,烧蚀物粒子能量高,易制备多层膜及异质结,工艺简单,灵活性大,可制备的薄膜种类多,可用激光对薄膜进行多种处理等优点。PLD装置沉积系统的结构如图1所示。
本发明采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,具体有下列步骤:
第一步:固相反应法制TbMnO3靶材
先将MnO2粉末和Tb7O11的粉末经充分研磨后制得粒径为1μm以下的第一混合粉;用量:7mol的MnO2粉末中加入1mol的Tb7O11的粉末;
然后将第一混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1300℃~1400℃高温下烧10~12小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第一中间混合体;
然后将中间混合体经充分研磨后制得粒径为1μm以下的第二混合粉;
将第二混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1300℃~1400℃高温下烧10~12小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第二中间混合体;
将第二中间混合体经充分研磨后制得粒径为1μm以下的第三混合粉;
将第三混合粉加入模腔中,在50MPa~80MPa压力下,制得预成型体;然后将预成型体在1450℃~1550℃高温下经10~12小时烧结制得TbMnO3靶材。
在本发明中,是否要进行高温烧结成型,主要是考虑第三混合粉经XRD测试是否具有单相结构。
在本发明中,对MnO2粉末和Tb7O11的粉末的研磨-烧结过程是否重复多次,主要依据是XRD中测试TbMnO3粉是否具有单相结构。
第二步:基片准备
将n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸截取,然后对截取的Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材进行表面抛光,表面粗糙度为1nm以下,先经质量百分比浓度为95%的酒精清洗后,再用质量百分比浓度为99.5%的丙酮清洗,吹干待用;
在本发明中,Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸为10mm×3mm×0.5mm;
第三步:脉冲激光沉积制薄膜
将第一步骤制得的TbMnO3靶材安装在如图1所示的靶子台上,将第二步骤制得的基片安装在如图1所示的基片台上;
对沉积室抽真空至真空度为1×10-4Pa~5×10-4Pa,然后充入质量百分比浓度为99.999%的氧气,使沉积室的氧气压力为35Pa~45Pa;
通过加热器对基片进行加热,使基片温度达到740℃~750℃;
调节激光束:采用248nm KrF激光器,激光的能量密度为2.0J/cm2~2.5J/cm2,激光频率为3Hz;
在基片上沉积TbMnO3材料开始,沉积8min~10min后迅速充氧使沉积室的压力达至1个大气压;然后基片以每分钟3度降至500℃,随后关闭加热器,自然降温至室温,取出,沉积薄膜厚度为100nm~130nm。
性能测试:采用XRD进行外延生长质量分析,采用扫描电子显微镜进行微观组织分析,采用KEITHLEY 2400电流源进行电流电压特性测试,在薄膜表面采用金电极,基片上采用铟电极。
在本发明中,在n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材上采用PLD方法沉积100nm~130nm的p型半导体材料TbMnO3薄膜,该结构称为铽锰氧p-n异质结。
经本发明方法制得的铽锰氧p-n异质结可以作为加工二极管的材料。是因为铽锰氧p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为1∶2;在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为2∶1。
实施例1:在基片上制100nm的TbMnO3薄膜
采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,具体有下列步骤:
第一步:固相反应法制TbMnO3靶材
先将MnO2粉末和Tb7O11的粉末经充分研磨后制得平均粒径为600nm的第一混合粉;用量:7mol的MnO2粉末中加入1mol的Tb7O11的粉末;
然后将第一混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1400℃高温下烧12小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第一中间混合体;
然后将中间混合体经充分研磨后制得平均粒径为600nm的第二混合粉;
将第二混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1400℃高温下烧12小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第二中间混合体;
将第二中间混合体经充分研磨后制得平均粒径为600nm的第三混合粉;采用X射线衍射仪对第三混合粉进行表征,如图2所示,第三混合粉无其它衍射峰,说明为单相的TbMnO3粉。
将第三混合粉加入模腔中,在80MPa压力下,制得预成型体;然后将预成型体在1500℃高温下经10小时烧结制得TbMnO3靶材。
第二步:基片准备
将n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸截取,然后对截取的Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材进行表面抛光,表面粗糙度为0.7nm,先经质量百分比浓度为95%的酒精清洗后,再用质量百分比浓度为99.5%的丙酮清洗,吹干待用;
在本发明中,Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸为10mm×3mm×0.5mm;
第三步:脉冲激光沉积制薄膜
将第一步骤制得的TbMnO3靶材安装在如图1所示的靶子台上,将第二步骤制得的基片安装在如图1所示的基片台上;
对沉积室抽真空至真空度为4×10-4Pa,然后充入质量百分比浓度为99.999%的氧气,使沉积室的氧气压力为40Pa;
通过加热器对基片进行加热,使基片温度达到740℃;
调节激光束:采用248nm KrF激光器,激光的能量密度为2.5J/cm2,激光频率为3Hz;
在基片上沉积TbMnO3材料开始,沉积10min后迅速充氧使沉积室的压力达至1个大气压;然后基片以每分钟3度降至500℃,随后关闭加热器,自然降温至30℃后,取出,得到沉积厚度为100nm薄膜。
性能测试:采用XRD进行外延生长质量分析,采用扫描电子显微镜进行微观组织分析,采用KEITHLEY 2400电流源进行电流电压特性测试。
如图3所示,实施例1制得的铽锰氧薄膜具有较好的外延生长取向。
如图4所示,实施例1制得的铽锰氧薄膜具有均匀的颗粒状微结构。
如图5所示,实施例1制得的铽锰氧p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为1∶2;在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为2∶1。
实施例2:在基片上制120nm的TbMnO3薄膜
本发明采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,具体有下列步骤:
第一步:固相反应法制TbMnO3靶材
先将MnO2粉末和Tb7O11的粉末经充分研磨后制得平均粒径500nm的第一混合粉;用量:7mol的MnO2粉末中加入1mol的Tb7O11的粉末;
然后将第一混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1300℃高温下烧10小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第一中间混合体;
然后将中间混合体经充分研磨后制得平均粒径500nm的第二混合粉;
将第二混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1400℃高温下烧10小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第二中间混合体;
将第二中间混合体经充分研磨后制得平均粒径500nm以下的第三混合粉;
将第三混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1400℃高温下烧10小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第三中间混合体;
将第三中间混合体经充分研磨后制得平均粒径500nm以下的第四混合粉;
将第四混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1400℃高温下烧10小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第四中间混合体;
将第四中间混合体经充分研磨后制得平均粒径500nm以下的第五混合粉;经XRD表征,第五混合粉无其它衍射峰,说明为单相的TbMnO3粉。
将第五混合粉加入模腔中,在60MPa压力下,制得预成型体;然后将预成型体在1550℃高温下经10小时烧结制得TbMnO3靶材。
第二步:基片准备
将n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸截取,然后对截取的Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材进行表面抛光,表面粗糙度为0.6nm,先经质量百分比浓度为95%的酒精清洗后,再用质量百分比浓度为99.5%的丙酮清洗,吹干待用;
在本发明中,Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸为10mm×3mm×0.5mm;
第三步:脉冲激光沉积制薄膜
将第一步骤制得的TbMnO3靶材安装在如图1所示的靶子台上,将第二步骤制得的基片安装在如图1所示的基片台上;
对沉积室抽真空至真空度为3×10-4Pa,然后充入质量百分比浓度为99.999%的氧气,使沉积室的氧气压力为35Pa;
通过加热器对基片进行加热,使基片温度达到740℃;
调节激光束:采用248nm KrF激光器,激光的能量密度为2.0J/cm2,激光频率为3Hz;
在基片上沉积TbMnO3材料开始,沉积10min后迅速充氧使沉积室的压力达至1个大气压;然后基片以每分钟3度降至500℃,随后关闭加热器,自然降温至27℃后,取出,沉积薄膜厚度为120nm。
实施例2制得的铽锰氧薄膜具有较好的外延生长取向。
实施例2制得的铽锰氧铽锰氧薄膜具有均匀的颗粒状微结构。
实施例2制得的铽锰氧p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为1∶2;在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为2∶1。
实施例3:在基片上制130nm的TbMnO3薄膜
本发明采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,具体有下列步骤:
第一步:固相反应法制TbMnO3靶材
先将MnO2粉末和Tb7O11的粉末经充分研磨后制得平均粒径为1μm的第一混合粉;用量:7mol的MnO2粉末中加入1mol的Tb7O11的粉末;
然后将第一混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1400℃高温下烧12小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第一中间混合体;
然后将中间混合体经充分研磨后制得平均粒径为1μm的第二混合粉;
将第二混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1400℃高温下烧10小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第二中间混合体;
将第二中间混合体经充分研磨后制得平均粒径为1μm的第三混合粉;
将第三混合粉加入模腔中,在50MPa压力下,制得预成型体;然后将预成型体在1450℃高温下经12小时烧结制得TbMnO3靶材。
第二步:基片准备
将n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸截取,然后对截取的Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材进行表面抛光,表面粗糙度为1nm,先经质量百分比浓度为95%的酒精清洗后,再用质量百分比浓度为99.5%的丙酮清洗,吹干待用;
在本发明中,Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸为10mm×3mm×0.5mm;
第三步:脉冲激光沉积制薄膜
将第一步骤制得的TbMnO3靶材安装在如图1所示的靶子台上,将第二步骤制得的基片安装在如图1所示的基片台上;
对沉积室抽真空至真空度为4×10-4Pa,然后充入质量百分比浓度为99.999%的氧气,使沉积室的氧气压力为40Pa;
通过加热器对基片进行加热,使基片温度达到740℃;
调节激光束:采用248nmKrF激光器,激光的能量密度为2.2J/cm2,激光频率为3Hz;
在基片上沉积TbMnO3材料开始,沉积10min后迅速充氧使沉积室的压力达至1个大气压;然后基片以每分钟3度降至500℃,随后关闭加热器,自然降温至22℃后,取出,沉积薄膜厚度为130nm。
实施例3制得的铽锰氧薄膜具有较好的外延生长取向。
实施例3制得的铽锰氧铽锰氧薄膜具有均匀的颗粒状微结构。
实施例3制得的铽锰氧p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为1∶2;在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为2∶1。
本发明制得的一种具有双向整流特性的过渡金属氧化物p-n异质结,该p-n异质结由p型半导体材料铽锰氧TbMnO3和n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3构成。本发明利用脉冲激光沉积方法和合理控温工艺在n型导电掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3基底上外延生长一层高质量的p型铽锰氧TbMnO3薄膜,从而构成了一种全新的过渡金属氧化物p-n异质结。通过减小反向电流-电压特性随温度的变化,使该p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性,这些特性表明本发明的p-n异质结在电子技术与低温工程方面具有应用前景。
Claims (5)
1、一种具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结,其特征在于:该p-n异质结由p型半导体材料铽锰氧TbMnO3和n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3构成。
2、一种采用脉冲激光沉积方法制备如权利要求1所述的具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,其特征在于有下列步骤:
第一步:固相反应法制TbMnO3靶材
先将MnO2粉末和Tb7O11的粉末经充分研磨后制得粒径为1μm以下的第一混合粉;
用量:7mol的MnO2粉末中加入1mol的Tb7O11的粉末;
然后将第一混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1300℃~1400℃高温下烧10~12小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第一中间混合体;
然后将中间混合体经充分研磨后制得粒径为1μm以下的第二混合粉;
将第二混合粉置入坩埚内,在高温烧结炉中,以1300℃~1400℃高温下烧10~12小时后,随炉冷却至室温后取出,制得第二中间混合体;
将第二中间混合体经充分研磨后制得粒径为1μm以下的第三混合粉;
将第三混合粉加入模腔中,在50MPa~80MPa压力下,制得预成型体;然后将预成型体在1450℃~1550℃高温下经10~12小时烧结制得TbMnO3靶材。
第二步:基片准备
将n型导电材料掺铌钛酸锶Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材按所需尺寸截取,然后对截取的Sr0.99Nb0.01TiO3单晶块材进行表面抛光,表面粗糙度为1nm以下,先经质量百分比浓度为95%的酒精清洗后,再用质量百分比浓度为99.5%的丙酮清洗,吹干待用;
第三步:脉冲激光沉积制薄膜
将第一步骤制得的TbMnO3靶材安装在靶子台上;
将第二步骤制得的基片安装在基片台上;
对沉积室抽真空至真空度为1×10-4Pa~5×10-4Pa,然后充入质量百分比浓度为99.999%的氧气,使沉积室的氧气压力为35Pa~45Pa;
通过加热器对基片进行加热,使基片温度达到740℃~750℃;
调节激光束的激光能量密度为2.0J/cm2~2.5J/cm2,激光频率为3Hz;
在基片上沉积TbMnO3材料开始,沉积8min~10min后迅速充氧气使沉积室的压力达至1个大气压;然后基片以每分钟3度降温至500℃,随后关闭加热器,自然降温至室温,取出,即制得具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结。
3、根据权利要求2所述的一种采用脉冲激光沉积方法制备具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,其特征在于:在第一步骤中应该保证在烧结前的混合粉经XRD测试为单相结构。
4、根据权利要求2所述的一种采用脉冲激光沉积方法制备具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,其特征在于:在第三步骤中沉积薄膜的厚度为100nm~130nm。
5、根据权利要求2所述的一种采用脉冲激光沉积方法制备具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结的方法,其特征在于:制得的铽锰氧p-n异质结在150K以上的温度范围内均表现出优异的二极管正向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为1∶2;在125K以下的温度范围内均表现出优异的二极管反向整流特性,正向开启电压与反向击穿之比为2∶1。
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