CN101807606B - n型氧化锌/p型金刚石异质结隧道二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的n型氧化锌/p型金刚石异质结隧道二极管及其制作方法属于半导体材料及其制备的技术领域。隧道二极管结构是n型氧化锌(2)是氧化锌纳米阵列结构竖直生长在p型金刚石(1)上；导电玻璃(3)与氧化锌纳米结构接触作为导电阴极，p-型金刚石(1)作为导电阳极。制作过程是在硅或金刚石单晶衬底上生长p型金刚石，热蒸发法在p型金刚石上生长n型氧化锌(2)纳米结构，最后制作电极。本发明的具有负阻特性的隧道二极管不需要采用以往的多层复杂结构，具有较大电流峰谷比；其制备方法具有简单、可控性强、晶体质量高、制造廉价等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用热蒸发法在p型金刚石生长n型氧化锌(ZnO)纳米结构形成异质结结构，并制作具有负阻特性的隧道二极管器件的方法，属于半导体材料及其制备的技术领域。
背景技术
p-n结半导体器件中，有一类器件，在某一电压范围内，出现随着电压的增大，电流反而减小的现象，即负阻特性，这类器件称为p-n结隧道二极管。隧道二极管具有很多的用途，如微波放大、高速开关、激光振动源等，已被广泛用作局部振荡器和功率放大器，成为探测系统、远程控制和微波测试仪器上所使用的重要的固态微波源。隧道二极管的噪声较低，工作稳定范围大。另外由于隧道效应本质上是一量子跃迁的过程，使隧道二极管可在极高的频率下工作。这些优点，使隧道结得到了广泛的应用。
ZnO是一种具有宽带隙和高激子束缚能的半导体材料，由于自补偿效应，n型ZnO容易得到。金刚石也是重要的半导体材料，具有高热导率、宽带隙、高激子束缚能、微波高透过率等性质，通过硼掺杂，可得到p型金刚石。
本发明专利提出的一种n型ZnO/p型金刚石异质结隧道二极管及其制作方法，尚未见相近的专利、文献报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，使用热蒸发法，在化学气相沉积(CVD)多晶金刚石膜或CVD金刚石单晶上生长ZnO纳米结构，当CVD金刚石是p-型掺杂时，可以制备出具有负阻特性的n-ZnO/p-diamond异质结隧道二极管器件。
本发明利用热蒸发法，在硼掺杂CVD金刚石(Diamond)上生长ZnO纳米结构，如纳米棒(ZnO nanorods，ZnO NRs)，并制作n型ZnO/p型金刚石(n-ZnO/p-diamond)异质结隧道二极管器件。
本发明的具体技术方案：
一种n型氧化锌/p型金刚石异质结隧道二极管，所述的p型金刚石是硼掺杂的多晶金刚石膜或硼掺杂的金刚石单晶，其特征在于，所述的n型氧化锌是氧化锌纳米棒、纳米线或纳米管阵列结构，竖直生长在p型金刚石上；导电玻璃的导电面与氧化锌纳米结构接触作为导电阴极，p-型金刚石作为导电阳极；用电极银浆在导电阴极和导电阳极上分别连接铜导线。
本发明的n型氧化锌/p型金刚石异质结隧道二极管的制作方法，按下述步骤进行：
第1步，生长p型金刚石，即，生长硼掺杂的p型CVD多晶金刚石膜或硼掺杂的p型CVD金刚石单晶。可以使用微波等离子体CVD、热灯丝CVD、直流热阴极CVD或直流喷射CVD方法，这些方法都是现有成形的技术；使用硼烷或硼酸三甲酯作硼源；对于CVD多晶金刚石膜，可使用硅为衬底，而对于CVD金刚石单晶，可使用天然金刚石单晶、高温高压人造金刚石单晶或CVD金刚石单晶作衬底。
第2步，在p型金刚石上生长n型ZnO纳米结构。利用热蒸发法，将质量比1∶1的蒸发源ZnO和铝粉或石墨粉还原剂的混合物放入石英管，p型金刚石放置在石英管内蒸发源的下游；将石英管放置于管式炉加热区，使蒸发源位于850～1100℃处，p型金刚石位于500～700℃处，在常压或10-4～10-5Pa气压或通入Ar气100～400sccm条件下反应10～60分钟，将石英管取出；p型金刚石上生长有一层白灰色物质，该物质是n型ZnO纳米棒、纳米线或纳米管阵列结构。
在p型金刚石上生长n型ZnO纳米结构也可以利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、水热法等。
第3步，制作电极。将导电玻璃(ITO)的导电面向下压在n型ZnO纳米棒、纳米线或纳米管阵列上作为导电阴极，p型金刚石做阳极。使用电极银浆连接铜导线，做欧姆电极。之后可以进行ZnO NRs/p-diamond异质结电学性质电流-电压(I-V)特性曲线测试。
热蒸发法制备n型氧化锌/p型金刚石异质结隧道二极管，具有多个优点，以n型氧化锌和p型金刚石两层结构制备隧道二极管，不需要采用以往的多层复杂结构，并且该器件实现了较大电流峰谷比的n-型ZnO纳米棒/p-型金刚石隧道二极管，与其他的制备方法相比，该方法器件结构、实现方式简单、可控性强、晶体质量高，制造廉价等优点。
附图说明：
图1是在CVD多晶金刚石膜上生长ZnO纳米棒阵列的SEM图。
图2是在CVD多晶金刚石膜上生长ZnO纳米棒的XRD谱。
图3是在CVD金刚石单晶上生长ZnO纳米棒阵列的SEM图。
图4是n-ZnO NRs/p-diamond异质结隧道二极管的结构示意图。
图5是n-ZnO NRs/p-diamond异质结隧道二极管的I-V负阻特性曲线。
具体实施方式
实施例1：结合附图说明本发明的隧道二极管的结构
n-型氧化锌/p-型金刚石异质结隧道二极管的结构如图4所示。图4中，1为p型金刚石，为掺硼的CVD金刚石膜或掺硼的CVD金刚石单晶，2为n型ZnO，可以是氧化锌纳米棒、氧化锌纳米线、氧化锌纳米管的阵列材料，生长在p型金刚石上，3为导电玻璃(ITO)，4为电极银浆。导电玻璃3的导电面向下压在n型ZnO纳米棒阵列上作为导电阴极，p-型金刚石膜作阳极。使用电极银浆4连接铜导线，作欧姆电极。
用导线将其与Keithley 2400数字源表连接，进行器件的I-V特性曲线测试。图5给出n-ZnO NRs/p-diamond异质结的I-V特性曲线。从图5中可以看出，该异质结在-4V至+2V之间具有良好的整流特性，其开启电压为～0.7V，正向偏压为2V时，整流比约为115。当电压增大到2.17V后，再继续增大电压，电流开始减小，呈现负阻现象，电流峰谷比为10。负阻现象出现是隧道二极管的典型特性。
实施例2：p型CVD多晶金刚石膜生长n型ZnO纳米棒及隧道二极管器件的制作。
使用微波等离子体CVD方法制备硼掺杂p-型金刚石膜。p型CVD多晶金刚石膜的生长条件参数：衬底采用p-型Si，微波功率300～1000W，压强7～8kPa，氢气流量到200～300sccm，甲烷气体流量为4～6sccm，硼源使用硼烷或硼酸三甲酯，硼烷或硼酸三甲酯由氢气携带流入反应室，流量为10～20sccm，衬底温度保持在700～1000℃，薄膜的生长时间为3～24小时。
生长硼掺杂的p-型CVD多晶金刚石膜的设备、方法，除使用微波等离子体CVD方法外，还可以使用热灯丝CVD方法、直流热阴极CVD方法或直流喷射CVD方法。
使用热蒸发法制备ZnO纳米棒。将蒸发源微米级ZnO粉末与还原剂铝粉按照1∶1质量配比作为原料，均匀混合放置于石英管一端，将p-型CVD多晶金刚石膜放在石英管内蒸发源的下游收集样品。使用管式炉加热，炉子升温至约900℃，将石英管放入炉内，蒸发源置于温度为850℃处，p-型CVD多晶金刚石膜置于温度为500℃处，在常压下反应30分钟后将试管取出，在p-型CVD多晶金刚石膜上得到ZnO纳米棒阵列结构。产物的SEM形貌见图1，相应的XRD谱见图2。将蒸发源置于温度为1100℃，p-型金刚石温度为700℃，生长10分钟也可以得到ZnO纳米棒阵列结构。
ZnO纳米结构不局限于纳米棒，纳米线、纳米管等同样可获得负阻隧道二极管。纳米线、纳米管的制备也可以使用热蒸发法。使用ZnO蒸发源和铝粉还原剂混合，将蒸发源置于温度为850℃，p型金刚石温度为500～700℃，10-4～10-5Pa气压下，生长10～60分钟也可以实现ZnO纳米线阵列结构的制备。使用ZnO蒸发源和石墨粉还原剂混合，将蒸发源置于温度为1100℃，p型金刚石温度为500～700℃，通入Ar气100～400sccm，生长10～60分钟也可以实现ZnO纳米管阵列结构的制备。
实施例3：p型CVD金刚石单晶生长n型ZnO纳米棒及隧道二极管器件的制作。
用微波等离子体CVD方法制备硼掺杂p型CVD金刚石单晶。硼掺杂p型CVD金刚石单晶生长，是使用硼烷或硼酸三甲酯作硼源，使用天然金刚石单晶、高温高压人造金刚石单晶或CVD金刚石单晶作衬底。
将实施例2中的硼掺杂p型CVD金刚石多晶膜替换为硼掺杂p型CVD金刚石单晶，其他具体步骤同实施例2，在p型CVD金刚石单晶上生长ZnO纳米结构。
电极制作同实施例2。
Claims (2)
1.一种n型氧化锌/p型金刚石异质结隧道二极管，所述的p型金刚石(1)是硼掺杂的多晶金刚石膜或硼掺杂的金刚石单晶，其特征在于，所述的n型氧化锌(2)是氧化锌纳米棒、纳米线或纳米管阵列结构，竖直生长在p型金刚石(1)上；导电玻璃(3)的导电面与氧化锌纳米结构接触作为导电阴极，p型金刚石(1)作为导电阳极；用电极银浆(4)在导电阴极和导电阳极上分别连接铜导线。
2.一种权利要求1的n型氧化锌/p型金刚石异质结隧道二极管的制作方法，按下述步骤进行，
第1步，生长p型金刚石(1)：使用微波等离子体CVD方法、热灯丝CVD方法、直流热阴极CVD方法或直流喷射CVD方法；使用硼烷或硼酸三甲酯作硼源；对于CVD多晶金刚石膜，使用硅为衬底，对于CVD金刚石单晶，使用天然金刚石单晶、高温高压人造金刚石单晶或CVD金刚石单晶作衬底；
第2步，在p型金刚石(1)上生长n型氧化锌(2)纳米结构：将质量比1∶1的蒸发源ZnO和铝粉或石墨粉还原剂的混合物放入石英管，p型金刚石(1)放置在石英管内蒸发源的下游；将石英管放置于管式炉加热区，使蒸发源位于850～1100℃处，p型金刚石(1)位于500～700℃处，在常压或10-4～10-5Pa气压或通入Ar气100～400sccm条件下反应10～60分钟，将石英管取出；p型金刚石(1)上生长有一层白灰色的氧化锌纳米棒、纳米线或纳米管阵列结构；
第3步，制作电极：将导电玻璃(3)的导电面向下压在n型氧化锌(2)纳米棒、纳米线或纳米管阵列上作为导电阴极，p型金刚石(1)做阳极，使用电极银浆(4)连接铜导线，做欧姆电极。
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