CN104167459A - 一种具有光诱导位置敏感性的异质结 - Google Patents
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Abstract
一种可用于精确测量位移、角度传感器的异质结ZnO薄膜/SiO2/Si，该异质结具有显著的光诱导位置敏感性。通过射频磁控溅射方法，在保留有自然氧化层二氧化硅的p型单晶Si(100)晶面上沉积ZnO薄膜。再通过直流磁控溅射方法，在ZnO薄膜/SiO2/Si异质结表面掩模，溅射A、B两个铟金属电极并相距7mm。根据本发明制备的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结具有显著的光诱导位置敏感性。当氦氖激光照射在ZnO薄膜/SiO2/Si结构上表面的A位置时，样品的电阻达到一个最小值。激光照射位置由A向B移动时，样品的电阻逐渐增大，在B位置，样品的电阻达到一个最大值，其电阻变化率为1041％。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量位移、角度的传感器，具体涉及一种具有光诱导位置敏感性的异质结ZnO薄膜/SiO2/Si，其特征是激光照射在ZnO薄膜/SiO2/Si结构的不同位置，其电阻会发生变化，能够表现出一个1041％电阻变化率。
背景技术
对材料的电阻进行有效的操作控制广泛应用于信息通信、存储技术和记忆开关等领域，并引起研究人员的广泛关注。以前，人们关于电阻有效控制的研究工作大量集中在巨磁电阻和超导方面。超导材料在低于临界温度时，其电阻表现为零。由磁场调控的巨磁电阻被广泛应用于现代硬盘的读出磁头和磁传感器。至今，材料电阻的有效控制在许多学科的广泛应用使研究人员还在不断探索和尝试新的电阻操控手段。
文献物理学报,2012,61(4)报道了锰位铁掺杂La0.67Sr0.33FexMn1-xO3薄膜在激光诱导下的电阻率温度特性。当T<TP时，薄膜的光致电阻率增大。然而T>TP时，光致电阻率减小。材料研究学报，2005，2(19)报道了La0.5Sr0.5MnO3薄膜的光诱导效应。La0.5Sr0.5MnO3薄膜具有温度相变特征。在铁磁金属相，激光作用导致薄膜电阻增加。在顺磁非导体相，激光作用导致薄膜电阻减小。物理学报，2009,7(58)报道了Cu掺杂La0.67Sr0.33CuxMn1-xO3薄膜的光诱导特性。物理学报，2012,4(61)报道了Gd0.55Sr0.45MnO3薄膜光诱导电阻变化特性。这类钙钛矿锰氧化物的激光诱导电阻变化特性，主要是由于激光改变了材料的自旋极化方向。
文献Advancedmaterials,2009,21:1-5报道了一种新的电阻效应存在于Ti/SiO2/Si金属-氧化物-半导体(MOS)结构中。MOS结构多年被应用于太阳能电池材料和场效应晶体管中，未见有电阻效应的报道。当波长为632nm的激光照射在样品的不同位置时，Ti/SiO2/Si结构表现出不同的电阻，其电阻变化率为1000％。Ti/SiO2/Si结构中多晶Ti薄膜的厚度为6.2nm，当Ti薄膜的厚度高于或低于6.2nm，其电阻效应会迅速下降。采用完全相同的制备工艺，Cu/SiO2/Si和Co/SiO2/Si结构未呈现明显的电阻效应。文献Journal of appliedphysics,2011,054503报道了α-c:Pd/SiO2/Si的光诱导电阻效应，采用直流磁控溅射在保留自然氧化层的n-Si(100)上沉积Pd掺杂的无定形碳薄膜，厚度为20nm。该结构的不同位置在激光照射下表现出了一个15000％的电阻变化率。本发明ZnO薄膜/SiO2/Si异质结具有的光诱导位置敏感性能在国内外文献上未见有报道。该异质结在5mw，632.8nm的激光下，其电阻变化率为1041％。ZnO薄膜的厚度没有严格的要求，40-60nm之间都可以，这大大降低了生产工艺的难度。其次，本发明可以长期在室温下存放，性能稳定，原材料广泛并且相对廉价。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有光诱导位置敏感性的异质结ZnO薄膜/SiO2/Si及其制备方法。通过射频磁控溅射方法，在保留有自然氧化层二氧化硅的p型单晶Si(100)晶面上沉积ZnO薄膜。溅射本底真空为1.6×10-4Pa，溅射气氛为氩气和氧气的混合气体，氩氧比为2：1，溅射气压为3.0Pa，溅射功率为84.5w，ZnO薄膜的厚度为40-60nm。根据本发明制备的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结具有显著的光诱导位置敏感性，当5mw，632.8nm的氦氖激光照射在ZnO薄膜/SiO2/Si结构上表面的不同位置，其电阻是不同的。样品的电阻与样品上表面光照位置有近似的线性关系。ZnO薄膜/SiO2/Si结构上表面的A、B位置间距为7mm，当激光照射在A位置时，样品的电阻达到一个最小值(Rmin＝8.85×105Ω)。激光照射位置由A向B移动时，样品的电阻逐渐增大，在B位置，样品的电阻达到一个最大值(Rmax＝1.01×107Ω)。ZnO薄膜/SiO2/Si结构的电阻存在一个1041％的变化率。
本发明提供一种具有光诱导位置敏感性的异质结ZnO薄膜/SiO2/Si及其制备方法。包括以下几个步骤：
步骤1：将基片分别用甲苯、丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，取出后在氮气流中干燥备用；
步骤2：采用射频磁控溅射的方法，在基片上沉积ZnO薄膜；
步骤3：采用直流磁控溅射方法，在ZnO薄膜/SiO2/Si异质结表面掩模，溅射A、B两个电极并相距7mm。
其中基片是p型单晶Si(100)，其电阻率为12-18Ωcm。
其中溅射靶材是ZnO陶瓷靶。
其中溅射本底真空为1.6×10-4Pa。
其中溅射气压是3.0Pa，溅射气氛是氩气和氧气的混合气体，氩氧比2:1。
其中溅射功率为84.5w(工作电压是0.65kV，工作电流是130mA)。
其中ZnO薄膜的厚度控制在40-60nm之间。
其中A、B两个电极是金属铟电极。
本发明的有益效果在于：提出了一种具有光诱导位置敏感性的新结构，ZnO薄膜/SiO2/Si异质结。ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的制备工艺成熟，生产安全性强，易于实现工业化生产。王辉等人报道的金属-氧化物-半导体(MOS)结构，金属层的厚度很薄并且要求很苛刻。根据本发明制备的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结，ZnO薄膜的厚度在40-60nm之间，其光诱导位置敏感性能都很显著。该异质结构上表面的A、B位置间距为7mm，当氦氖激光光点由A位置向B位置移动时，异质结的电阻逐渐增大，存在一个1041％的电阻变化率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是根据本发明制备的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的结构示意图。从图中可以看出，ZnO薄膜/SiO2/Si异质结是由p型单晶Si(100)1，自然氧化层二氧化硅2，ZnO薄膜3和A、B电极4组成。
图2是根据本发明制备的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结上表面的扫描电镜图。从图中可以看出，ZnO纳米颗粒大小均一，尺寸为5-8nm，排列紧密，薄膜表面较为平整。
图3是根据本发明制备的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的X射线衍射谱图。从图中可以看出，样品出现了ZnO的(002)衍射峰，同JCPDS卡片上的ZnO标准谱图(36-1451)一致，说明其为六方纤锌矿结构且没有其他杂质峰，具有高度的c轴择优取向，结晶良好。
图4是激光分别照射A位置和B位置上，ZnO薄膜/SiO2/Si结构的I-V特性曲线。激光照射A位置上，在正向偏置电压下，随电压的增大，电流呈指数增加，结电阻减小，在反向偏置电压下，电流非常小，结电阻很大。激光照射B位置上，与A位置正好相反。
图5是根据本发明制备的ZnO薄膜/SiO2/Si结构的上表面光照位置与电阻的关系图，偏置电压为+1V。激光光点照射在A位置时，样品电阻最小。相反，照射在B位置时，样品电阻最大。激光光点从A位置移向B位置，样品的电阻逐渐增大，其电阻和光照位置存在线性关系。
具体实施方式
根据本发明的一个实施方式，ZnO薄膜/SiO2/Si结构示意性地描绘在图1中。该异质结构由四部分组成：1是p型单晶Si(100)，2是单晶Si上的自然氧化层二氧化硅，3是ZnO薄膜，4是A、B金属电极。该异质结构的制备方法包括以下几个步骤：
步骤1：首先将单晶p型硅片切割为1cm×1.5cm的矩形，用去离子水冲洗干净，然后将导电玻璃分别用甲苯、丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗15-20min，取出后在氮气流中干燥备用；
步骤2：将清洁的单晶Si片放在托盘的中心位置并送入超高真空溅射仪中。开启机械泵，当溅射室的气压降到10Pa以下，再开启分子泵继续抽真空，直到溅射室的气压为1.6×10-4Pa；
步骤3：向溅射室内通入高纯氩气和氧气，两者比例为2：1，调整溅射室的气压为3.0Pa；步骤4：打开射频溅射电源，反复调节匹配电阻，使入射功率最大反射功率最小并正常起辉。溅射功率为84.5w，即工作电压是0.65kV，工作电流是130mA；
步骤5：预溅射ZnO陶瓷靶20min，目的是去除靶材表面污染物。溅射ZnO薄膜，薄膜厚度控制在40-60nm；
步骤6：采用直流磁控溅射方法，在ZnO薄膜/SiO2/Si异质结表面掩模，溅射A、B两个铟金属电极并相距7mm。A、B两个电极与电学性能测试仪器Keithley2400相连。
本发明所制备的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结，具有显著的光诱导位置敏感性能。当632.8nm，5mw的激光照射在ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的A或B位置时，其电阻有一个1041％的变化率。此外，ZnO薄膜厚度要求并不严格，在40-60nm之间都可以，这大大降低了制备工艺的难度，易于实现工业化生产。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已。并非对本发明作任何形式上的限制；凡熟悉本专业的普通技术人员均可按说明书附图和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实施技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (6)
1.本发明的目的是提供一种新型的具有光诱导位置敏感性的异质结及其制备方法，其特征是通过射频磁控溅射方法，在保留有自然氧化层二氧化硅的p型单晶Si(100)晶面上沉积ZnO薄膜，其厚度为40-60nm之间，构成ZnO薄膜/SiO2/Si异质结。ZnO薄膜/SiO2/Si结构上表面的A、B电极位置间距为7mm，当5mw，632.8nm的氦氖激光照射在A位置时，样品的电阻最小。光照位置由A向B位置移动时，样品的光诱导电阻逐渐增大。当照射在B位置时，样品电阻达到最大。样品的光诱导电阻与样品上表面光照位置存在线性关系，存在一个1041％的变化率。
通过射频磁控溅射方法制备ZnO薄膜/SiO2/Si异质结，该异质结由p型单晶Si(100)，自然氧化层二氧化硅，ZnO薄膜和A、B电极四部分构成。该异质结的制备包括以下几个步骤：
步骤1：将p型单晶Si(100)分别用甲苯、丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，取出后在氮气流中干燥备用；
步骤2：溅射本底真空为1.6×10-4Pa，溅射气氛为氩气和氧气的混合气体，氩氧比为2：1，溅射气压为3.0Pa，溅射功率为84.5w；
步骤3：采用直流磁控溅射方法，在ZnO薄膜/SiO2/Si异质结表面掩模，溅射A、B两个铟金属电极并相距7mm。
2.根据权利要求1所述的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的制备方法，其中单晶硅片是p型单晶Si(100)，其电阻率为12-18Ωcm。
3.根据权利要求1所述的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的制备方法，其中p型单晶Si(100)表面保留有自然氧化层二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的制备方法，其中溅射靶材是ZnO陶瓷靶。
5.根据权利要求1所述的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的制备方法，其中ZnO薄膜厚度在40-60nm之间。
6.根据权利要求1所述的ZnO薄膜/SiO2/Si异质结的制备方法，其中A、B电极为金属铟电极，相距7mm。
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| CN105845315A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-08-10 | 天津理工大学 | 一种非晶FeTiO/SiO2/p-Si异质结构材料及其制备方法 |
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| JP2001196895A (ja) * | 2000-01-11 | 2001-07-19 | Seiko Epson Corp | 表面弾性波素子 |
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| CN102012385A (zh) * | 2010-09-16 | 2011-04-13 | 中国石油大学(华东) | 一种具有氢气敏感效应的钯/碳/硅异质结材料 |
| CN103680607A (zh) * | 2012-08-31 | 2014-03-26 | 上海交通大学 | 一种光场探测元件 |
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2014
- 2014-06-11 CN CN201410256341.5A patent/CN104167459B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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| CN104167459B (zh) | 2015-12-02 |
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