专利名称：钙钛矿结构镧锰氧化物/氧化锌异质p－n结及制备方法
技术领域：
本发明属于半导体材料制造领域，具体涉及一种应用磁控溅射方法(magnetron sputtering technique)制备在较宽的温度下具有良好整流特性的镧锶锰氧-氧化锌(La0.7Sr0.3MnO3/ZnO，LSMO/ZnO)p-n结的方法。
背景技术：
p-n结二极管作为基本的元器件在微电子学中有着举足轻重的作用。与传统p-n结相比，氧化物p-n结由于其丰富的电学、磁学、光学性质以及耐高温的特点不仅为研发新型的电子器件提供了技术基础，而且成为现代固体物理学最重要的研究课题。
钙钛矿结构的LSMO由于Sr2+离子的掺杂而具有p型的半导体导电性。此外，由于双交换作用它载流子浓度是组分、温度和外场的敏感函数。所以LSMO基p-n结能够实现外加电场或磁场，对其电学或磁学性质的调制，有望制备出具有高电场、磁场敏感性的电子器件。n型半导体ZnO具有异常丰富的光电性能。它与钙钛矿镧锰氧化物材料结合成人工异质结材料为研发新一代高集成性能电子器件提供了契机。将LSMO与ZnO复合为p-n结，不仅可以通过调整ZnO的化学剂量比来精确的控制LSMO的电学和磁学特性，而且如果LSMO的磁性可以通过光或电场来控制，就可以发展出磁-光-电一体化的新器件。
文献《镧锶锰氧/氧化锌异质结的整流特性》(《Rectifying electricalcharacteristics of La0.7Sr0.3MnO3/ZnO heterostructure，A.Tiwari，C.Jin，D.Kumar，J.Narayan，APPLIED PHYSICS LETTERS，VOLUME 83，1773》)介绍了首个La0.7Sr0.3MnO3/ZnO pn结，其制备方法是在Al2O3单晶上利用脉冲激光沉积(Pulse Laser Deposition，PLD)技术依次沉积了ZnO、La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
现有报道中钙钛矿结构氧化物p-n结的制备方法均采用PLD方法制备薄膜。PLD非常适合沉积氧化物之类的复杂结构材料，但是PLD存在羽辉区域的局限性与蒸发粒子温度的非线性变化和质量的空间分布不均的缺点，使它只适合沉积小面积的薄膜；而且在沉积过程中伴有液滴沉积的现象，容易造成薄膜结构的不均匀性，严重影响电子的输运性能；此外，在目前的技术条件下，高质量、大功率的激光器价格始终居高不下，成套的PLD设备价格都在150万以上，而工业上广泛应用的磁控建设设备成本仅为30万左右，这大大增加了这种制备方法的成本。因此，目前PLD方法主要应用于科研领域。这极大的阻碍了钙钛矿结构氧化物p-n结结在工业上的应用推广。所以，研究如何制备适应工业生产的具有良好性能的LSMO/ZnO p-n结具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为解决目前LSMO/ZnO p-n结的制备技术，生产成本高，不具有大规模生产能力的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用磁控溅射方法La0.7Sr0.3MnO3/ZnO p-n结的制备方法。
本发明提供了一种钙钛矿结构镧锰氧化物/氧化锌异质p-n结，其特征在于其结构从下到上为Si(100)单晶基片(1)衬底，Pt电极层(2)、ZnO薄膜(3)、及LSMO薄膜(4)，在Pt电极层(2)和LSMO薄膜(4)上分别沉积Ag电极(5)。
本发明提供的所述钙钛矿结构镧锰氧化物/氧化锌异质p-n结的制备方法，其特征在于，利用磁控溅射方法制备，具体步骤为1)选用Si(100)单晶作为衬底；2)在Si(100)单晶衬底上先后沉积Pt电极层(2)、ZnO薄膜(3)、及LSMO薄膜(4)和Ag电极(5)，且Pt电极层(2)、ZnO薄膜(3)、及LSMO薄膜(4)的厚度为150~300nm.。
为了降低下层薄膜对上层薄膜晶格结构的影响，以及降低p-n结耗尽层对材料载流子浓度的影响，本发明各层薄膜厚度采用150~300nm。
目前硅技术仍然是半导体器件行业的支柱，所以本发明采用Si(100)作为器件衬底。这样不仅可以实现LSMO/ZnO异质结与传统半导体器件的兼容，也降低了使用Al2O3单晶带来的制造成本。但是由于Si(100)与下层薄膜ZnO的晶格失配度达20％，为了减少晶格失配对LSMO/ZnO p-n结性能的影响，选用Pt作为下电极。
有益效果实验结果表明，采用磁控溅射方法在Si(100)衬底上制备的LSMO/ZnO p-n结，在40-320K的温度范围内都具有优异的整流特性当反向电压为-1.5V时仍未击穿，此时最大漏电流仅为30mA；正向开启电压为0.2～0.7V；电压为1.5V时的正向电流和反向电流比值达到20。本发明中采用的磁控溅射技术成本低廉，且更加适合工业大规模的生产。
图1为La0.7Sr0.3MnO3/ZnO p-n结的结构示意2为不同溅射功率条件下制备的LSMO/ZnO p-n结室温下的伏安特性曲线图3为不同膜厚条件下制备的LSMO/ZnO p-n结室温下的伏安特性曲线图4为在温度范围从40-320K测得的实施例2的伏安特性曲线具体实施方式
以Si(100)单晶基片为衬底，分别利用ZnO及LSMO陶瓷靶材制备了钙钛矿结构镧锰氧化物/氧化锌异质p-n结。具体工艺步骤为1.衬底上制备300nm厚的Pt下电极，在500℃条件下真空退火30min；2.在Pt下电极上，沉积300nm厚的ZnO薄膜，工艺条件衬底温度600℃，工作气压0.1Pa，氧分压5％；3.用掩膜遮住部分ZnO薄膜后，沉积150nm的LSMO薄膜，工艺条件衬底温度800℃，工作气压0.5Pa，氧分压20％；4.在ZnO和LSMO薄膜上以100℃的衬底温度分别沉积Ag电极。
按照上述制备条件，分别采用不同的溅射功率，(见表1)。
表1 不同溅射功率下制备的LSMO/ZnO p-n结
采用100w功率，改变LSMO/ZnO p-n结不同的膜厚，实现了以下实施例(表2)表2 不同膜厚条件下制备的LSMO/ZnO p-n结
LSMO/ZnO p-n结室温(300K)下呈现出较好的整流特性(如图2、图3所示)当反向电压为-1.5V时仍未击穿，最大漏电流仅为30mA；电压为1.5V时的正向电流和反向电流比值达到25；由正向电流开始迅速增加的点，最小开启电压约为0.225V，是报道中LSMO/ZnO p-n结室温(300K)下开启电压的1/2。
如图3所示，LSMO/ZnO p-n结(实施例2)在贯穿40-320K较宽的温度范围内均具有较好的整流特性。
权利要求
1.一种钙钛矿结构镧锰氧化物/氧化锌异质p-n结，其特征在于其结构从下到上为Si(100)单晶基片(1)衬底，Pt电极层(2)、ZnO薄膜(3)、及LSMO薄膜(4)，在Pt电极层(2)和LSMO薄膜(4)上分别沉积Ag电极(5)。
2.根据权利要求1所述钙钛矿结构镧锰氧化物/氧化锌异质p-n结的制备方法，其特征在于利用磁控溅射方法制备，具体步骤为1)选用Si(100)单晶作为衬底；2)在Si(100)单晶衬底上先后沉积Pt电极层(2)、ZnO薄膜(3)、及LSMO薄膜(4)和Ag电极(5)，且Pt电极层(2)、ZnO薄膜(3)、及LSMO薄膜(4)的厚度为150～300nm.。
全文摘要
钙钛矿结构镧锰氧化物/氧化锌异质p－n结及制备方法属于半导体材料制造领域。本发明首次采用磁控溅射法制备出钙钛矿结构镧锰氧化物/氧化锌异质p－n结。该p－n结的结构为Si(100)单晶基片(1)衬底，Pt电极层(2)、ZnO薄膜(3)、及LSMO薄膜(4)。本发明制备的LSMO/ZnO p－n结不仅在40－320K的温度范围内都具有优异的整流特性，解决了现有技术利用PLD成本高，不利于应用于大规模工业生产的问题。本发明方法所获得的钙钛矿结构镧锰氧化物异质p－n结在自旋电子器件领域具有良好的应用潜能。
文档编号H01L21/329GK101055895SQ20071009909
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月11日 优先权日2007年5月11日
发明者张铭, 陆然, 代红云, 严辉, 王波, 宋雪梅 申请人:北京工业大学