钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管的制作方法

文档序号:6784637阅读:260来源:国知局
专利名称:钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管的制作方法
技术领域
本发明涉及电子学领域,特别是涉及电子学晶体管技术领域。
锗硅p-n结的发现,使人类的生产、工作和生活均发生了革命性的巨大变化。钙钛矿结构氧化物涵盖一系列重要性质,如介电、铁电、光电、压电、热电、超导、巨磁阻及非线性光学等特性和效应。虽然钙钛矿型氧化物的结构较锗硅要复杂得多,物理性质各异,但许多钙钛矿型氧化物在化学上和结构上具有很好的相容性。
近年来,随着高温超导和巨磁阻等现象的发现,在世界范围内掀起了钙钛矿氧化物材料的研究热潮,无论是新材料的探索与研究,还是相关的理论研究,都取得了很大的进展。尤其是高温超导薄膜和巨磁阻薄膜的研究已进入应用、开发阶段。由于氧化物材料结构复杂,一般熔点都很高,薄膜也必须在一定氧压下制备,要同时获得高质量和光滑表、界面的薄膜并非易事。激光分子束外延等新型高精密制膜技术和设备的出现,使层状外延生长多元素、高熔点的氧化物薄膜材料成为现实(如文献1杨国桢、吕惠宾、陈正豪等,中国科学A,28(1998)260)。氧化物电子学也引起了人们的兴趣与关注(如文献2H.Koiuma,N.Kanda,et al.Appl.Surf.Sci109/110,(1997)514)。最近,我们不仅研制出n型和p型的SrTiO3、BaTiO3、LaMnO3等材料,(如文献3中国专利,专利申请号99108056。4;文献4中国专利,专利申请号99108057。2;文献5中国专利,专利申请号99123795。1;文献6中国专利,专利申请号99123796。x。)而且制备出钛酸锶、钛酸钡等晶体二极管。若将p型和n型不同导电类型的同类或不同类钙钛矿结构氧化物材料外延在一起形成p-n结,由于钙钛矿结构氧化物材料所具有的介电、铁电、光电、热电、超导、巨磁阻等性能的交叉耦合,一定会出现一些新奇的现象、效应与特性。
本发明的目的是提供一系列工艺简单,稳定性好,具有不同特性的钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管,它包括二极管、三极管、多基极三极管和多发射极三极管等多种结构,它可广泛地应用于各类电子学电路和一些探测系统中。本发明的目的是这样实现的以具有介电特性的SrTiO3,具有铁电、介电和光学非线性特性的BaTiO3,具有超导特性的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)和具有巨磁阻特性的LaMnO3等钙钛矿结构材料为基础,采用已知的掺杂方法,制备出具有不同导电类型,即p型和n型的上述四类薄膜材料,分别将不同性质的p型和n型薄膜材料进行叠层,形成p-n结、p-n-p结、n-p-n结和多结结构,从而制备出钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管。
采用部分替位掺杂法,制备p型和n型的钙钛矿结构氧化物薄膜的具体做法是(1)制备n型钛酸锶SrAxTi1-xO3或Sr1-xLaxTiO3,其中A是Nb或Sb或Ta,制备p型钛酸锶SrBxTi1-xO3,其中B是In或Mn;(2)制备n型钛酸钡BaCxTi1-xO3或Ba1-xLaxTiO3,其中C是Nb或Sb或Ta,制备p型钛酸钡BaDxTi1-xO3,其中D是In或Mn;(3)制备n型锰酸镧La1-xExMnO3,其中E是Te或Nb或Sb或Ta,制备p型锰酸镧La1-xFxMnO3,其中F是Sr或Ca或Ba或Pb。所有x的取值范围为0.005-0.5。
使用激光分子束外延,脉冲激光沉积,磁控溅射,电子束蒸发或分子束外延等制膜方法,在单晶基片(如SrTiO3,YSZ,LaAlO3,Nb:SrTiO3等)上,把一层p型和一层n型不同性质的薄膜材料进行叠层外延在一起,这两层导电类型不同的薄膜在界面处就形成一个p-n结,这个p-n结就构成了晶体二极管;把一层p型、一层n型和另一层p型的薄膜材料(其中p型和n型为不同性质的薄膜材料)进行叠层外延在一起,这三层薄膜就形成一个p-n-p结,这个p-n-p结就构成了p-n-p三极管;把一层n型、一层p型和另一层n型的薄膜材料(其中p型和n型为不同性质的薄膜材料)进行叠层外延在一起,这三层薄膜就形成了一个n-p-n结,这个n-p-n结就构成了n-p-n三极管。组成这些p-n、p-n-p或n-p-n结的薄膜材料,可以是钛酸锶、钛酸钡、锰酸镧、YBCO和它们的相互复合。
另外,也可以直接在p型基底上外延一层n型或在n型基底上外延一层p型,形成p-n结,用来制备晶体二极管;或直接在p型基底上外延一层n型和另一层p型,形成p-n-p结,用来制备p-n-p晶体三极管;或在n型基底上外延一层p型和另一层n型,形成n-p-n结,用来制备晶体n-p-n三极管。按照不同的特性和要求,选取不同的材料进行组合。
锗硅晶体管主要是用扩散的方法制备p-n结,钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管则是用外延的方法制备p-n结。它们都是靠掺杂浓度来控制载流子浓度。钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管的结构完全与锗硅晶体管类似,可按照要求和需要来设计。钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管电极的引出与封装,完全可以借用锗硅晶体管的已有设备与工艺,采用光刻,腐蚀或刻蚀,蒸镀电极。如需要,与硅晶体管在刻蚀引线前先淀积SiO2层一样,在钙钛矿结构氧化物复合膜p-n结或p-n-p或n-p-n结薄膜的上表面外延绝缘隔离层,即在刻蚀出集电极,基极和发射极的电极槽后,在其外表面外延一层SrTiO3或ZrO2或BaTiO3或LaAlO3或A12O3或SiO2,然后再刻蚀出引电极孔,其后就与锗硅晶体管电极引线完全一样,蒸镀金属层,光刻,刻蚀引线,封装也可采用锗硅晶体管已有的管壳。
本发明提供的钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管,将具有介电、铁电、光电、热电、超导、巨磁阻等性能的钙钛矿结构氧化物材料交叉耦合,采用全外延工艺,因此每层的层厚和载流子浓度都较锗硅晶体管更易控制,而且结面更锐,加上钙钛矿结构氧化物材料熔点高,稳定性好,钙钛矿结构氧化物晶体管将成为一系列多功能和广泛应用的电子器件,尤其是与锰酸镧相关的晶体管对磁场很敏感,与钛酸钡相关的晶体管对热光敏感,因此也可以制作一些特殊的探测器,亦可发展成为钙钛矿结构氧化物集成电路。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明

图1是SrNb0.01Ti0.99O3/BaIn0.1Ti0.9O3二极管伏安特性曲线图2是SrNb0.01Ti0.99O3/La0.9Sr0.1MnO3二极管伏安特性曲线图3是SrNb0.01Ti0.99O3/YBCO二极管伏安特性曲线实施例1,用激光分子束外延,在5mm×10mm×0.5mm的双面抛光的SrNb0.01Ti0.99O3的基底上,外延生长厚度为300nm的BaIn0.1Ti0.9O3薄膜,再将外延片切割成0.5mm×0.5mm的芯管,分别在每个管芯的上下表面用铟焊上φ80μ的铜丝做电极,制备钛酸锶/钛酸钡晶体二极管。
用上述二极管测得的伏安特性曲线如图1所示。从图1可以看出,其正反向特性都是非常好的。
实施例2,按实施例1制作,用La0.6Ca0.4MnO3代替BaIn0.1Ti0.9O3、用脉冲激光沉积方法制备钛酸锶/锰酸镧晶体二极管。
实施例3,用激光分子束外延,在3mm×10mm×0.5mm双面抛光的SrNb0.01Ti0.99O3基底上,先外延100nm厚的BaIn0.05Ti0.95O3薄膜,用一个硅片做的挡板,在外延片上方0.5mm的高度遮挡二分之一外延片表面,被遮挡部分为引电极之用。再在没被遮挡的二分之一BaIn0.05Ti0.95O3薄膜表面外延200nm厚的SrNb0.1Ti0.9O3薄膜。将外延片沿垂直挡板线的方向切成宽0.5mm的长条。掺铌n型钛酸锶基底做集电极C,掺铟p型钛酸钡薄膜层做基极b,最上面掺铌n型钛酸锶薄膜做发射极e,用铟焊上φ50μ的铜丝做三个电极,制备钛酸锶/钛酸钡n-p-n晶体三极管。
我们已观测到三极管的伏安特性。
实施例4,用激光分子束外延,在φ30mm×0.5mm的SrTiO3基底上,先外延200nm厚的BaIn0.05Ti0.95O3薄膜做集电极c,在BaIn0.05Ti0.95O3的薄膜上外延150nm的SrNb0.05Ti0.95O3薄膜做基极b,再在SrNb0.05Ti0.95O3薄膜上外延200nm的BaIn0.2Ti0.8O3薄膜做发射极e。用光刻和离子束刻蚀的方法分别刻蚀出φ20μ-φ30μ和φ40μ-φ50μ的半圆形基极b和集电极c的电极孔。在刻蚀好电极孔的外延片表面再外延400nm的SrTiO3做绝缘隔离层。在隔离层SrTiO3上光刻和刻蚀出三个电极引线孔后,在表面蒸镀200nm的铝,光刻和刻蚀出电极引线,压焊引线,封装管壳制备成钛酸锶/钛酸钡p-n-p晶体三极管。
实施例5,按实施例4做,选YSZ做基片,用SrTa0.05Ti0.95O3代替SrNb0.05Ti0.95O3做基极b,用磁控溅射法制备钛酸锶/钛酸钡p-n-p晶体三极管。
实施例6,按实施例4做,选LaAlO3做基片,用La0.95Nb0.05MnO3代替SrNb0.05Ti0.95O3做基极b,用电子束蒸发制备钛酸钡/锰酸镧p-n-p晶体三极管。
实施例7,按实施例4做,用光刻和离子束刻蚀的方法,在φ20μ-φ30μ的园环上刻蚀三个基极b的电极孔,在φ40μ-φ50μ与上同心半园上刻蚀一个集极c的电极孔,制备三个基极b的钛酸锶/钛酸钡p-n-p晶体三极管。
实施例8,按实施例4做,用光刻和离子束刻蚀的方法,在φ30μ-φ40μ的半园环上刻蚀一个基极b的电极孔,在φ20μ与上同心园内刻蚀三个发射极e的电极孔,在φ50μ-φ60μ与上同心半园上刻蚀一个集极c的电极孔,制备三个发射极e的钛酸锶/钛酸钡p-n-p晶体三极管。
实施例9,按实施例4做,用BaMn0.05Ti0.95O3薄膜做集电极c,用BaMn0.5Ti0.5O3薄膜做发射极e。
实施例10,按实施例4做,用La0.95Ba0.05MnO3代替BaIn0.05Ti0.95O3,La0.8Pb0.2MnO3代替BaIn0.2Ti0.8O3,制备锰酸镧/钛酸锶p-n-p晶体三极管。
实施例11,
按实施例4做,用SrSb0.02Ti0.98O3薄膜做集电极c,用BaIn0.1Ti0.9O3薄膜做基极b,用SrSb0.3Ti0.7O3薄膜做发射极e。制备n-p-n钛酸锶/钛酸钡晶体三极管。
实施例12,按实施11做,用Sr0.98La0.02TiO3薄膜做集电极c,用Ba0.7La0.3TiO3薄膜做发射极e。
实施例13,按实施1做,在SrNb0.01Ti0.99O3的基底上,外延生长厚度为400nm的La0.5Sr0.5MnO3薄膜,制备钛酸锶/锰酸锶晶体二极管。
上述钛酸锶/锰酸镧晶体二极管的特性曲线如图2所示,在变温和加磁场的测量中,观测到其正向特性对温度敏感,其反向特性对磁场敏感。
实施例14,按实施4做,外延生长厚度为200nm的La0.98Sr0.02MnO3薄膜做集电极c,外延生长厚度为400nm的La0.8Sr0.2MnO3薄膜做发射极e,制备钛酸锶/锰酸镧p-n-p晶体三极管。
实施例15,按实施11做,用180nm的La0.9Sr0.1MnO3薄膜代替BaNb0.1Ti0.9O3薄膜做基极b,制备钛酸锶/锰酸镧n-p-n晶体三极管。
实施例16,按实施1做,在SrNb0.01Ti0.99O3的基底上,外延生长厚度为400nm的YBCO薄膜,制备钛酸锶/YBCO晶体二极管。
上述钛酸锶/YBCO晶体二极管的特性曲线如图3所示。
实施例17,按实施4做,用La0.95Nb0.05MnO3代替SrNb0.05Ti0.95O3做基极b,制备钛酸钡/锰酸镧p-n-p晶体三极管。
实施例18,按实施4做,用SrIn0.05Ti0.95O3代替BaIn0.05Ti0.95O3做集电极c,BaSb0.1Ti0.9O3代替SrNb0.05Ti0.95O3做基极b,SrMn0.2Ti0.8O3代替BaIn0.2Ti0.8O3做发射极e,制备钛酸锶/钛酸钡p-n-p晶体三极管。
实施例19,按实施18做,用BaTa0.1Ti0.9O3代替BaSb0.1Ti0.9O3做基极b,制备钛酸锶/钛酸钡p-n-p晶体三极管。
实施例20,按实施18做,用La0.9Ta0.1MnO3代替BaSb0.1Ti0.9O3做基极b,制备钛酸锶/钛酸钡p-n-p晶体三极管。
实施例21,按实施18做,用La0.9Te0.1MnO3代替BaSb0.1Ti0.9O3做基极b,制备钛酸锶/钛酸钡p-n-p晶体三极管。
权利要求
1.一种钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管,其特征在于以SrTiO3、BaTiO3、YBa2Cu3O7-δ(YBCO)和LaMnO3四种钙钛矿结构材料为基础,掺杂而成具有p型和n型的上述四类薄膜材料,在SrTiO3或YSZ或LaAlO3或Nb:SrTiO3单晶基片上将不同性质的p型和n型薄膜材料进行叠层外延生长,形成p-n、p-n-p、n-p-n结和多结结构,即为钙钛矿结构氧化物复合膜晶体二极管、晶体三极管、多基极晶体三极管和多发射极晶体三极管;其中n型钛酸锶为SrAxTi1-xO3或Sr1-xLaxTiO3,A是Nb或Sb或Ta;p型钛酸锶为SrBxTi1-xO3,B是In或Mn;n型钛酸钡为BaCxTi1-xO3或Ba1-xLaxTiO3,C是Nb或Sb或Ta;p型钛酸钡为BaDxTi1-xO3,D是In或Mn;n型锰酸镧为La1-xExMnO3,E是Te或Nb或Sb或Ta,p型锰酸镧为La1-xFxMnO3,F是Sr或Ca或Ba或Pb;x的取值范围为0.005-0.5。
2.按权利要求1所述的钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管,其特征在于也可以不用单晶基片而直接在p型基底上外延一层n型或在n型基底上外延一层p型,形成p-n结,用来制备晶体二极管;或在p型基底上外延一层n型和另一层p型,形成p-n-p结,用来制备p-n-p晶体三极管;或在n型基底上外延一层p型和另一层n型,形成n-p-n结,用来制备晶体n-p-n三极管。
3.按权利要求1所述的钙钛矿结构氧化物复合膜晶体管,其特征在于还可以选择氧化物材料SrTiO3或BaTiO3或ZrO2或LaAlO3或Al2O3或SiO2做隔离绝缘层。
全文摘要
本发明涉及电子学晶体管技术领域。本发明将掺杂的不同性质的p型和n型的SrTiO
文档编号H01L29/12GK1306310SQ00100368
公开日2001年8月1日 申请日期2000年1月19日 优先权日2000年1月19日
发明者吕惠宾, 戴守愚, 陈正豪, 周岳亮, 陈凡, 赵彤, 杨国桢, 何萌, 王焕华 申请人:中国科学院物理研究所
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1