一种超快速、抗辐射纳米线过电压保护器的制作方法

专利名称：一种超快速、抗辐射纳米线过电压保护器的制作方法
技术领域：
本发明属于纳米电子器件技术领域，具体涉及一种超快速、抗辐射纳米线过电压保护器。
背景技术：
过电压保护器应用于通讯仪器、机载仪器、控制设备等方面，其目的是保证在浪涌电压冲击或其它任何电压过载的情况下，都不会有大电流进入关键器件。
过电压保护器的优劣与否取决于以下两点，首先必须具有足够小的反应时间以免浪涌电压损坏仪器，其次是必须具有高可靠性。目前传统基于自动控制系统的过电压保护器的反应时间一般都在微秒数量级，其可靠性也有一定限制，因此超快速高可靠过电压保护器的研究具有重要的意义。
华中一，陈国荣等2选用电双稳材料吡啶-(2-偶氮-4)雷锁辛(PAR)薄膜，采用具有多个并联的保护单元的二维双端结构，成功地制备了过电压保护器的原型，这种模型的基本思路为电双稳材料在所加电压超过一定阈值时，将自动由高电阻状态转换为低电阻状态，使浪涌电压产生的电流由此分路而达到保护作用。
上述器件的相变可逆性存在不足，因而实际使用尚有困难。这里我们采用电双稳材料M-TCNQ纳米线阵列的结构，可以方便地调节并联节点的数量，从而可以提高器件的可靠性；调节控制纳米线的尺寸可以方便控制阈值电压的大小，相变具有可逆性(高低阻态互变数万次未见特性变化)，因而有实际应用价值。

发明内容
本发明的目的在于提出一种超快速、抗辐射纳米线过电压保护器。
本发明提出的超快速、抗辐射纳米线过电压保护器，其结构如下依次由导电基底、绝缘层和顶电极组成，其中，绝缘层洞孔中有金属有机络合物M-TCNQ形成的纳米线将导电基底和顶电极连接，导电基底为底电极，底电极与顶电极由导线引出。这里的金属M一般为Ag、Cu、K或Mg等，有机络合物TCNQ为7，7，8，8-四氰基对醌二甲烷(TCNQ7，7，8，8，-tetracyanoquinodimethane)。上述纳米线过电压保护器基底(底电极)一般采用硅片，顶电极一般采用Ag，Al，Cu等，厚度为μm量级。绝缘层一般采用二氧化硅、Si5N4或多孔氧化铝AAO等，厚度为1-10微米，纳米线的线径为80-200纳米。绝缘层每个洞孔中纳米线可以是单根，也可以是多根(即纳米线簇)，组成纳米线阵列。洞孔之间的间距为6-15微米。
本发明提出的纳米线过电压保护器的制备过程如下(如图1所示)1)采用平整导电层例如硅片等作为导电基底1，其上制备一层绝缘层2；2)采用光刻或电子束刻蚀方法在绝缘层上制备纳米或微米洞孔，也可采用多孔氧化铝AAO结构，区域与区域之间留有空白，便于器件的切割(如图2所示)；3)用电镀法在孔洞中镀一层金属膜M(如Ag，Cu，K或Mg等)，然后采用饱和蒸气输运法制备M-TCNQ纳米线(包括纳米线阵列)[1]，其中刻蚀出的洞孔中生长一根可多根纳米线，而在多孔氧化铝AAO孔洞中一般生长单根纳米线；4)通过真空蒸发法蒸镀厚度在μm数量级的金属膜(如Ag，Al，Cu等)或其它导电层作为顶电极，孔洞中纳米线与上下两层导电层连接，组成器件功能部分；5)切割样品，并从顶电极与底电极压焊出引线。
本发明通过测量器件两端的电压随时间的变化曲线(V-t)得到跃迁时间。测试电路如图3所示，取样电阻与样品串联。探针Y1所取的是总电压，Y2所取的是取样电阻电压，所以(Y1-Y2)即为样品两端电压V。测量时电压源所加信号为外触发的单脉冲。
本发明通过在样品两端施加一个一定幅度的三角波信号，通过测试取样电阻两端的电压来评价其使用重复性(可逆性)。
本发明的纳米线过电压保护器具有如下特点(1)具有可逆电双稳性质，即器件原始为高阻态，当两端电压达到一定值后，器件快速进入低阻态，响应时间为几-几十纳秒。电压撤去后，几十毫秒内自动回复到高阻态。
(2)本发明采用M-TCNQ纳米线或多根M-TCNQ纳米线(簇)平行连接于两导电电极之间，采用纳米线阵列作为保护单元，因此保护单元的密度大大增加，从而增加可靠性和电流耐受性。
(3)本发明可调节两电极之间纳米线的有效长度和纳米线直径来调节所需保护的额定电压，可根据孔洞中纳米线的总根数来增加电流耐受性和可靠性。
(4)本发明的过电压保护器具有很好的使用重复使用性。
(5)本发明的过电压保护器件中没有P-N结，使用材料无需掺杂，因而有抗辐射特性。
本发明采用电双稳材料M-TCNQ纳米线阵列结构，制备工艺简单，跃迁时间短。额定电压和额定电流可通过制备工艺调节，器件使用重复性高，可以发展成一种有实用价值的新型过电压保护器。


图1是纳米线过电压保护器的制备过程图示。其中，(a)光刻制孔，(b)镀金属膜，(c)蒸气输运反应生成M-TCNQ纳米线，(d)制作顶电极，(e)切割器件，引出电极线。
图2是基底孔状结构示意图和显微镜照片。
图3是跃迁时间测试电路图。
图4是脉宽为150ns时样品跃迁时间曲线。
图5是重复性测试中取样电阻两端V-t曲线。
图中标号1为基底，2为绝缘层，3为顶电极，4为M-TCNQ纳米线，5为电极引线。
具体实施例方式
实施例11.Ag(TCNQ)纳米线过电压保护器的制备按图1所示路线制备Ag(TCNQ)纳米线过电压保护器。基底1采用平整硅片，绝缘层2采用二氧化硅层，厚度为5000A。绝缘层通过光刻制成孔状结构，并分多个区域，每个区域中分布3×4的孔，孔直径为5μm，孔间距为8μm。首先用电镀法在基片的孔洞中镀一层厚度为20nm的银膜，然后采用饱和蒸气输运法制备Ag-TCNQ纳米线阵列4。再用真空蒸发法蒸镀厚度在μm数量级的铝膜作为顶电极3，然后切割样品，并从顶电极与底电极压焊出引线5。
2.跃迁时间的测试通过测量器件两端的电压随时间的变化曲线(V-t)可以得到跃迁时间。测试电路如图2，取样电阻R1＝1MΩ，取样电阻与样品串联，采用Aligent公司的54810A型示波器进行测量。探针Y1所取的是总电压，Y2所取的是取样电阻电压，所以(Y1-Y2)即为样品两端电压V。测量时电压源所加信号为外触发的单脉冲，幅度为7.5V，脉宽取了150ns和400ns两种情况。脉宽为150ns时所得样品两端电压V-t和总电压V0-t曲线如图4所示。
图中可以看出，样品的阻态转变阈值为Vmax＝1.76V，跃迁时间Δt＝30ns，但是要等样品电压完全降至0点跃迁时间可能还要增加50ns左右。
脉宽为400ns时所得样品两端电压V-t和总电压V0-t曲线如图5所示，所得的Vmax与Δt与150ns脉宽时基本一致。
3.重复性测试在样品两端施加一个一定幅度的三角波信号，通过测试取样电阻两端的电压来评价其重复性，三角波信号幅度为8.5V，串联的取样电阻为1MΩ。测试得到V-t曲线如图6所示，V1为外加三角波信号，V2为取样的串联电阻两端电压，可以看到在外加电压为0～3.85V阶段，保护器处于高阻状态，取样电阻上基本无分压。而外加电压大于3.85V时，取样电阻两端有分压存在，保护器转为低阻态。由于外加信号为周期信号，我们看到取样电阻上的波形具有很高的一致性，说明所制得的过电压保护器具有很好的重复使用性。
参考文献1.陈国荣，莫晓亮，一种金属有机配合物纳米线及其制备方法；专利号ZL 02151236.1(发明)。
2.华中一，陈国荣，徐华华，徐伟一种有机电双稳器件；专利号ZL 99109123.x(发明)。
权利要求
1.一种超快速、抗辐射纳米线过电压保护器，其特征在于依次由导电基底、绝缘层、顶电极组成，其中，绝缘层洞孔中有金属有机络合物M-TCNQ形成的纳米线将导电基底和顶电极连接，导电基底为底电极，底电极与顶电极由导线引出；这里的金属M为Ag、Cu、K或Mg，TCNQ为7，7，8，8-四氰基对醌二甲烷。
2.根据权利要求1所述的纳米线过电压保护器，其特征在于所述绝缘层采用二氧化硅，Si5N4或多孔氧化铝AAO，厚度为1微米-10微米，纳米线的线径为80-200纳米。
3.根据权利要求1或2所述的纳米线过电压保护器，其特征在于绝缘层孔洞中的纳米线为单根或多根。
4.根据权利要求1-3之一所述纳米线过电压保护器的制备方法，其特征在于具体步骤如下1)采用平整导电层作为导电基底(1)，其上制备一层绝缘层(2)；2)通过光刻或电子束刻蚀方法在绝缘层(2)上制备纳米或微米的洞孔，区域与区域之间留有空白，便于器件的切割；3)用电镀法在绝缘层孔洞中镀一层金属膜MAg、Cu、K或Mg，然后采用饱和蒸气输运法制备M-TCNQ纳米线；4)通过真空蒸发法蒸镀厚度为μm数量级的金属膜或其它导电层作为顶电极，绝缘层(2)上洞孔中的纳米线与上下两层导电层连接，组成器件功能部分；5)切割样品，并从顶电极与底电极压焊出引线。
5.根据权利要求4所述纳米线过电压保护器的制备方法，其特征在于绝缘层(2)采用二氧化硅，Si5N4或多孔氧化铝AAO，厚度为1-10微米，纳米线的线径为80-200纳米，
6.根据权利要求4所述纳米线过电压保护器的制备方法，其特征在于绝缘层(2)的孔洞中的纳米线为单根或多根，孔洞之间的间距为6-15微米。
全文摘要
本发明属于纳米电子器件技术领域，具体是一种超快速、抗辐射纳米线过电压保护器。器件的功能部分由底电极、绝缘层和顶电极组成，绝缘层中由金属有机络合物M－TCNQ纳米线(阵列)将底电极与顶电极连接，这里M为Ag，Cu，K或Mg。本发明利用M－TCNQ纳米线的可逆电双稳性质当电压达到某一阈值时，M－TCNQ纳米线将从高阻态跃迁为低阻态，且电阻率差值很大，可达5－6个数量级，跃迁时间很短，小于50纳秒；在电压(电场)撤去后，又自动回到高阻态。本发明可用于制备超快速、高可靠过电压保护器等开关器件。由于这种器件利用的是纳米线的本身性质，不需掺杂、不需PN结，因而具有抗辐射的功能。
文档编号H01C7/12GK1845263SQ20061002588
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月20日 优先权日2006年4月20日
发明者陈国荣, 郑凯波, 沈浩颋, 叶春暖, 莫晓亮, 姚彦, 孙大林 申请人:复旦大学