一种Si/NiO:Na异质pn结二极管的制作方法

本发明涉及一种Si/NiO:Na异质pn结二极管。属于功能材料和光电子器件领域。

背景技术：

强关联材料NiO中含有的d(f)电子的内部自由度如自旋、电荷、轨道之间的相互作用，使得NiO表现出许多奇异的性质，同时也使得材料的物性随着内部参数如温度、压强、掺杂的变化而发生显著改变。截止到目前，NiO因其良好的催化性能、热敏性能而被应用于催化剂、电池电极、电化学电容器等领域的研究，对其光电特性的研究少见报道。半导体异质结易于实现光生电荷分离被广泛应用于薄膜电池等光电子器件的研制和开发。NiO除了上述性质外，还是p型直接宽带隙半透明半导体材料，与间接带隙半导体材料相比，量子效率相对较高。室温下禁带宽度为3.0-4.0eV，3d电子结构的d-d轨道跃迁，使其在可见光区域存在较弱吸收。我们通过NiO基异质结形式研究新型光电子器件。P.Puspharajha等人采用喷雾热解法通过对NiO掺入Li⁺使NiO薄膜在可见光波段透光率达到90％，薄膜电阻下降到1Ω·cm(见文献P PUSPHARAJAH，S RADHAKRISHNA，A K AROF.Transparent conducting lithium-doped nickel oxide thin films by spray pyrolysis technique.Journal of Materials Science，1997，32(11)：3001-3006)。但从长远考虑，Li金属价格过于昂贵，不适于应用。最近看到Shinichi Komaba等人报道用Na离子电池替代Li离子电池，在此思路启发下，我们将Na元素引入NiO，制备NiO:Na基异质结，这非常符合现代社会秉承的绿色能源宗旨，在此我们选用价格低廉的n型Si衬底作为异质结的另一端，从而实现Si/NiO:Na异质pn结二极管。这种选择对于新型器件的开发有着重要意义，而目前对于Si/NiO:Na异质结还未见报道。

技术实现要素：

为提高传统的平面pn结二极管的性能，本发明提供了一种Si/NiO:Na异质pn结二极管，制备的Si/NiO:Na异质pn结二极管具有较高的反向击穿电压和大的正向电流密度。相对于传统的平面pn结二极管，该新型二极管的整流特性得到了提高。

本发明的技术方案：Si/NiO:Na异质pn结二极管，至少包括pn结和欧姆接触电极，所述pn结是由n型Si衬底上生长p型NiO:Na形成异质pn结。

上述Si/NiO:Na异质pn结二极管的制备方法：用磁控溅射工艺在n型Si衬底上制备NiO:Na薄膜形成异质pn结；最后采用溅射或热蒸发法在pn结上制作电极；其中，NiO:Na和Si表面溅射或蒸发镍或铝或金电极。

本发明采用直径为50mm的NiO:Na₂O陶瓷靶，磁控溅射制备的NiO:Na薄膜。溅射前的腔体本底真空度优于3x10^-4Pa，在此采用的相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝0％-100％。溅射气压为0.5-2Pa，溅射功率100-200W。在镀膜之前，预溅射5min以去除靶材表面的杂质。镀膜时间均为20-120min，衬底温度为RT-600℃或者后期退火温度从200℃至700℃时间为0.5至1个小时。

本发明利用n型Si衬底与p型NiO:Na薄膜形成了异质pn结二极管。通过对NiO:Na薄膜制备等条件的控制、pn结结构的优化等，提高了异质pn结性能，充分发挥半导体NiO:Na在异质pn结应用方面的独到优势。

附图说明

图1为本发明Si/NiO:Na异质pn结二极管结构示意图

图2为本发明反映电极欧姆接触的I-V曲线(实施例一)

图3为本发明反映异质结整流特性的I-V曲线(实施例一)

图4为本发明反映电极欧姆接触的I-V曲线(实施例二)

图5为本发明反映异质结整流特性的I-V曲线(实施例二)

图6为本发明反映电极欧姆接触的I-V曲线(实施例三)

图7为本发明反映异质结整流特性的I-V曲线(实施例三)

图8为本发明反映电极欧姆接触的I-V曲线(实施例四)

图9为本发明反映异质结整流特性的I-V曲线(实施例四)

具体实施方式

本发明Si/NiO:Na异质pn结二极管，至少包括pn结和欧姆接触电极，所述pn结是直接在n型Si衬底上沉积NiO:Na形成异质pn结。其具体制备步骤如下：

(1)采用半导体工艺中的清洗方法清洗硅片并用氮气吹干；

(2)p-NiO:Na的制备：溅射前的腔体本底真空度优于3x10^-4Pa，采用的相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝0％-100％，溅射气压为0.5-2Pa，溅射功率100-200W。在镀膜之前，预溅射5min以去除靶材表面的杂质。镀膜时间均为20-120min，衬底温度为RT-600℃以及温度为200℃至700℃退火0.5至1个小时。

(3)电极的制备：采用溅射或热蒸发等方法(如：唐伟忠著，薄膜材料制备原理、技术及应用，冶金工业出版社1998第一版)在NiO:Na和Si表面制作镍/铝/金电极。

(4)测试用Keithley2612A检测电极的欧姆接触特性和异质pn结二极管的I-V特性(整流特性)。

实施例一

(1)采用半导体工艺中的清洗方法清洗硅片并用氮气吹干；

(2)p-NiO:Na的制备：采用直径为50mm的NiO:Na陶瓷靶。磁控溅射制备的NiO:Na薄膜。溅射前的腔体本底真空度优于3x10^-4Pa，采用的相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝100％。溅射气压为2Pa，溅射功率200W。在镀膜之前，预溅射5min以去除靶材表面的杂质。镀膜时间均为120min，衬底温度为RT，后期200℃退火0.5个小时。

(3)电极的制备：采用热蒸发方法在NiO:Na和Si表面边缘制作Ni电极。

(4)测试用Keithley2612A检测电极的欧姆接触特性和异质pn结二极管的I-V特性(整流特性)，见图2和图3。

实施例二

(1)采用半导体工艺中的清洗方法清洗硅片并用氮气吹干；

(2)p-NiO:Na的制备：采用直径为50mm的NiO:Na陶瓷靶。磁控溅射制备的NiO:Na薄膜。溅射前的腔体本底真空度优于3x10^-4Pa，采用的相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝100％。溅射气压为2Pa，溅射功率200W。在镀膜之前，预溅射5min以去除靶材表面的杂质。镀膜时间均为120min，衬底温度为RT，后期300℃退火0.5个小时。

(3)电极的制备：采用热蒸发方法在NiO:Na和Si表面边缘制作Ni电极。

(4)测试用Keithley2612A检测电极的欧姆接触特性和异质pn结二极管的I-V特性(整流特性)，见图4和图5。

实施例三

(1)采用半导体工艺中的清洗方法清洗硅片并用氮气吹干；

(2)p-NiO:Na的制备：采用直径为50mm的NiO:Na陶瓷靶。磁控溅射制备的NiO:Na薄膜。溅射前的腔体本底真空度优于3x10^-4Pa，采用的相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝100％。溅射气压为2Pa，溅射功率200W。在镀膜之前，预溅射5min以去除靶材表面的杂质。镀膜时间均为120min，衬底温度为RT，后期400℃退火0.5个小时。

(3)电极的制备：采用热蒸发方法在NiO:Na和Si表面边缘制作Ni电极。

(4)测试用Keithley2612A检测电极的欧姆接触特性和异质pn结二极管的I-V特性(整流特性)，见图6和图7。

实施例四

(1)采用半导体工艺中的清洗方法清洗硅片并用氮气吹干；

(2)p-NiO:Na的制备：采用直径为50mm的NiO:Na陶瓷靶。磁控溅射制备的NiO:Na薄膜。溅射前的腔体本底真空度优于3x10^-4Pa，采用的相对氧分压Ar/(O₂+Ar)＝100％。溅射气压为2Pa，溅射功率200W。在镀膜之前，预溅射5min以去除靶材表面的杂质。镀膜时间均为23min，衬底温度为RT，后期400℃退火0.5个小时。

(3)电极的制备：采用热蒸发方法在NiO:Na和Si表面边缘制作Ni电极。

(4)测试用Keithley2612A检测电极的欧姆接触特性和异质pn结二极管的I-V特性(整流特性)，见图8和图9。