专利名称：具有电流控制电阻效应的掺杂半导体/绝缘体/半导体材料的制作方法
技术领域：
本发明属于信息传感材料中的电学量传感器结构材料，特别涉及用PLD方法制备的一种具有电流控制电阻效应的掺杂半导体/绝缘体/半导体材料技术背景电流控制电阻效应是指材料的电阻随测量电流的变化而变化。2002年Tang J等人在“Journal of applied physics，2002，91(10)8411-8413”中报道了具有电流控制电阻效应的Fe3C岛状薄膜材料在300K的条件下，当测量电流从10微安增加到1000微安时，材料的电阻增加了大约5倍。电流控制电阻效应有希望用于开发新一代的非磁性的随机存取存储器。此外，可以利用该效应开发新的电学量传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有电流控制电阻效应的掺杂半导体/绝缘体/半导体材料。其特征在于所述掺杂半导体用金属原子比含量为1-70％的比例压成金属-石墨复合冷压靶材，在真空镀膜室中，用PLD方法在3-5Pa氩气条件下，基片在恒定温度300K下沉积，在Si(100)基片上，获得金属掺杂的半导体/绝缘体/半导体结构材料。
所述绝缘体界面层是在沉积过程中在基体硅和掺杂金属的碳膜之间自然扩散形成一层非晶碳化硅过渡层，其厚度为2-3纳米，而金属掺杂的半导体薄膜的厚度为30-120纳米，基体半导体硅的厚度为1毫米。
所述掺杂金属包括铁、钴、镍。
本发明的有益效果是1.采用的原材料成本低，在室温下具有高性能的电流控制电阻效应。在300K的条件下，当测量电流从50微安增加到500微安时，该材料的电阻增加了大约3倍，并且该材料的伏安特性曲线不对称，即用数值相同的正向和反向电流测得的电阻值不同。2.该材料在无外加电场的情况下存在一个较大的本征偏压，大小约为0.0027伏特，利用该特性可设计新型传感器。3.采用PLD方法，利用冷压靶材沉积，可得薄膜厚度约为30-120nm。方法简单，工艺稳定，具有很高的制备效率。
图1为所得到金属掺杂的半导体/绝缘体/半导体结构材料的截面TEM像的示意图。
图2为Fe0.011-C0.989膜/SiC/Si结构材料的不同测量电流时电阻随温度的变化。
图3为Fe0.011-C0.989膜/SiC/Si结构材料的伏安特性曲线。
图4为Fe0.011-C0.989膜/SiC/Si结构材料的非零偏压实验曲线。
具体实施例方式
本发明为一种用PLD方法制备的具有电流控制电阻效应的掺杂半导体/绝缘体/半导体材料。所用靶材为金属-石墨冷压靶材，其金属含量(原子比)为1-70％。在具体实施中，所用靶材的比例为Fe0.011-C0.989、Fe0.051-C0.949、Fe0.125-C0.875、Ni0.01-C0.89、Ni0.02-C0.98、Ni0.1-C0.9、Ni0.2-C0.8、Co0.02-C0.98、Co0.1-C0.9、Co0.3-C0.5、Co0.6-C0.4、Co0.7-C0.3等。其制备方法是在真空镀膜室中用PLD方法，在Si(100)基片1上，在3-5Pa氩气条件下，基片1在恒定温度下沉积，获得具有金属掺杂的半导体(Fe0.011-C0.989膜)/绝缘体(SiC)/半导体(Si)结构材料。具体工艺为在真空镀膜室中进行由KrF激光器(Lambda Physics LPX205，248nm，25ns FWHM)在真空镀膜室中沉积，激光重复频率控制在10HZ，单脉冲能量为250-300mJ，通过焦距为75cm的透镜会聚到靶上。靶与激光束夹角约为45°，激光束在靶材上的束斑大小约为0.4cm×0.6cm。靶基距为4cm。沉积时间为1-10分钟。实验中所用基片为n型Si(100)，大小约为1cm×0.5cm。沉积过程中温度保持在300℃。靶材为冷压Fe0.011-C0.989靶材，靶直径为18mm，厚5mm。实验前，先将基片依次放入丙酮和酒精中用超声波清洗10min，然后用HF酸腐蚀。实验中，抽真空至＜5×10-4Pa以后加热基片至300℃，然后通入氩气至3-5Pa。沉积结束后，薄膜自然冷却至室温。膜厚度由SEM测量；形貌通过TEM和SEM观察确定；电学性能由SQUID(超导量子磁强计)测量。薄膜厚度约为30-120nm。在同样制备条件下，不同靶材成分，其薄膜厚度不同。在沉积过程中在基体半导体硅1和掺杂金属的碳膜之间自然形成一层非晶碳化硅过渡层2，其厚度为2-3纳米，而金属掺杂的半导体薄膜3的厚度为30-120纳米，基体半导体硅1的厚度为1毫米。进而形成了Fe0.011-C0.989/SiC/Si结构材料，其截面TEM像如图1所示，掺杂金属层为Fe3C，绝缘体为SiC，基体半导体为Si(100)。电流控制电阻性能(如图2、图3、图4所示)，该材料在温度为300K条件下，当测量电流从50微安增加到500微安时，电阻增加了大约3倍。同样大小的测量电流(例如500微安)，测得材料的电阻分别为637.3欧(正向电流)和485.8欧(反向电流)。该材料在无外加电场的情况下存在一个较大的本征偏压，大小约为0.0027伏特，利用该特性可设计新型传感器。金属掺杂的半导体薄膜/绝缘体夹层/半导体基体(M-S/I/S)的结构材料性能奇特而优越，是一种很有前途的电学传感器材料。
权利要求
1.一种具有电流控制电阻效应的掺杂半导体/绝缘体/半导体材料，其特征在于所述掺杂半导体是用金属原子比含量为1-70％的比例压成金属-石墨复合冷压靶材，用PLD方法在真空镀膜室中得到的金属掺杂的半导体/绝缘体/半导体的结构材料。
2.根据权利要求1所述具有电流控制电阻效应的掺杂半导体/绝缘体/半导体材料，其特征在于所述绝缘体界面层是在沉积过程中在基体硅和掺杂金属的碳膜之间自然扩散形成一层非晶碳化硅过渡层。
3.根据权利要求1所述具有电流控制电阻效应的掺杂半导体/绝缘体/半导体材料，其特征在于所述掺杂金属包括铁、钴或镍。
全文摘要
本发明公开了属于电学量传感器材料的用PLD方法制备的一种具有电流控制电阻效应的半导体/绝缘体/半导体结构材料。该材料是在Si(100)基片上，用不同比例的金属－石墨复合冷压靶材，用PLD方法在一定温度下沉积得到的。该材料在无外加电场的情况下存在一个较大的本征偏压，大小约为0.0027伏特，利用该特性可设计新型传感器。金属掺杂的半导体/绝缘体/半导体的结构材料，是一种很有前途的电学传感器材料。
文档编号H01C7/13GK1547220SQ20031011719
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年12月5日
发明者章晓中, 薛庆忠, 张丽娜 申请人:清华大学