本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種異質(zhì)結(jié)純電阻-二極管復(fù)合溫度計(jì)，采用Co/CoO-ZnO/Ag異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)中Co為下電極，Ag為上電極，CoO-ZnO為復(fù)合絕緣層。在測(cè)量時(shí)，把異質(zhì)結(jié)的Ag、Co上下電極和外電路測(cè)量?jī)x表相連接，當(dāng)電壓銀正、鈷負(fù)時(shí)異質(zhì)結(jié)處于低阻態(tài)，利用低電阻狀態(tài)時(shí)的金屬導(dǎo)電特性對(duì)應(yīng)的R-T曲線測(cè)量高溫；當(dāng)電壓是銀負(fù)、鈷正時(shí)異質(zhì)結(jié)處于高組態(tài)；利用高電阻狀態(tài)時(shí)的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性對(duì)應(yīng)的R-T曲線測(cè)量低溫，測(cè)量溫度范圍5K-300K。本發(fā)明專利技術(shù)的溫度計(jì)可測(cè)量溫度范圍寬，在大范圍內(nèi)均能保證同樣的測(cè)量精度。對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間快且很靈敏，可用于微米級(jí)物體的溫度測(cè)量。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種異質(zhì)結(jié)純電阻-二極管復(fù)合溫度計(jì)，屬于半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
現(xiàn)有的溫度計(jì)可測(cè)量的溫度范圍通常比較窄，當(dāng)要測(cè)量寬范圍溫度的情況下，必須準(zhǔn)備幾個(gè)溫度計(jì)用于不同范圍的溫度測(cè)量。因此制備一種可以同時(shí)精確測(cè)量高低溫度的溫度計(jì)將給各種復(fù)雜情況下溫度測(cè)量帶來極大的方便。CN200510011171. 5 (CN1632484A)提供了一種基于無序多壁碳納米管一異質(zhì)結(jié)的溫度傳感器，包括絕緣絕熱管，填充在絕緣絕熱管內(nèi)的多壁碳納米管粉末柱，設(shè)置在多壁碳納米管粉末柱一端且與碳納米管粉末柱緊密接觸形成碳納米管一金屬異質(zhì)結(jié)的金屬溫度 探頭以及封壓在碳納米管粉末柱另一端的導(dǎo)電金屬塊。工作時(shí)，先把電極和外電路測(cè)量?jī)x表相連接，然后將金屬溫度探頭與被測(cè)物體相接觸，這樣，由于碳納米管一金屬異質(zhì)結(jié)的存在，電路中會(huì)產(chǎn)生隨溫度變化的熱致電流，可測(cè)量溫度范圍寬，在大范圍內(nèi)均能保證同樣的測(cè)量精度，對(duì)溫度的響應(yīng)時(shí)間快。研究發(fā)現(xiàn)，金屬/絕緣體/金屬(MM)結(jié)構(gòu)中會(huì)由于氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致明顯的電致阻變現(xiàn)象。但該理論研究尚未有應(yīng)用于溫度計(jì)的產(chǎn)品開發(fā)的報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供一種基于Co/CoO-ZnO/Ag異質(zhì)結(jié)的異質(zhì)結(jié)純電阻-二極管復(fù)合溫度計(jì)，可用于微米范圍溫度測(cè)量。本專利技術(shù)還提供所述復(fù)合溫度計(jì)的制備方法。術(shù)語(yǔ)說明電致電阻外加電脈沖引起的樣品在幾個(gè)穩(wěn)定電阻狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。雙極阻變樣品的電阻轉(zhuǎn)變依賴于所加電信號(hào)的極性，例如加正向電壓時(shí)樣品由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，加反向電壓時(shí)由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。HRS :高阻態(tài)，此時(shí)樣品處在高電阻狀態(tài)，表現(xiàn)出半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，相應(yīng)的R-T曲線可被用來測(cè)量低溫。LRS :低阻態(tài)，此時(shí)樣品處在低電阻狀態(tài)，表現(xiàn)出金屬導(dǎo)電特性，相應(yīng)的R-T曲線可被用來測(cè)量高溫。Vset:樣品由HRS變?yōu)長(zhǎng)RS時(shí)所需的外界電壓。Vreset:樣品由LRS變?yōu)镠RS時(shí)所需的外界電壓。微米范圍溫度測(cè)量，是指5ΙΓ300Κ范圍的溫度測(cè)量，測(cè)量物體的尺寸可以小到微米級(jí)。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下異質(zhì)結(jié)純電阻-二極管復(fù)合溫度計(jì)，包括使用Co/CoO-ZnO/Ag異質(zhì)結(jié),該異質(zhì)結(jié)中Co為下電極，Ag為上電極，CoO-ZnO為復(fù)合絕緣層。在CoO-ZnO復(fù)合絕緣層中，ZnO層存在氧空位(v)，ZnCVv為η型半導(dǎo)體，CoCVx為P型半導(dǎo)體，兩者形成ρ-η結(jié)，表現(xiàn)出二極管導(dǎo)電特性。由于異質(zhì)結(jié)對(duì)于溫度反應(yīng)很靈敏，可以達(dá)到對(duì)于微米級(jí)物體有溫度感應(yīng)。因此本專利技術(shù)的異質(zhì)結(jié)純電阻-二極管復(fù)合溫度計(jì)可用于微米范圍物體的溫度測(cè)量。該系列異質(zhì)結(jié)能在外加電壓的作用下產(chǎn)生穩(wěn)定的雙極阻變效應(yīng)，測(cè)量過程中選定下電極Co接地。當(dāng)上電極Ag加一定的正電壓時(shí)，異質(zhì)結(jié)會(huì)由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，此時(shí)的電壓稱為Vset ;當(dāng)上電極Ag加一定的負(fù)電壓時(shí)，則會(huì)由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，此時(shí)的電壓稱為Vreset。當(dāng)異質(zhì)結(jié)處在高阻態(tài)時(shí)，其電阻隨溫度的升高而降低，表現(xiàn)出半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，且低溫區(qū)電阻隨溫度的變化幅度較大，因此可以利用異質(zhì)結(jié)的高阻態(tài)準(zhǔn)確測(cè)量低溫。當(dāng)異質(zhì)結(jié)處在低阻態(tài)時(shí)，其電阻隨溫度的升高而增大，表現(xiàn)出金屬導(dǎo)電特性，因此可以利用異質(zhì)結(jié)的低阻態(tài)測(cè)量高溫。這樣，由于異質(zhì)結(jié)能在外加電壓的作用下發(fā)生電致阻變，電路中會(huì)產(chǎn)生 隨溫度變化的電流。在測(cè)量時(shí)，把異質(zhì)結(jié)的Ag、Co上下電極和外電路測(cè)量?jī)x表相連接，外電路中設(shè)有兩個(gè)檔位，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)反向電源；當(dāng)電壓銀正、鈷負(fù)時(shí)異質(zhì)結(jié)處于低阻態(tài)，利用低電阻狀態(tài)時(shí)的金屬導(dǎo)電特性對(duì)應(yīng)的R-T曲線測(cè)量高溫；當(dāng)電壓是銀負(fù)、鈷正時(shí)異質(zhì)結(jié)處于高組態(tài)；利用高電阻狀態(tài)時(shí)的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性對(duì)應(yīng)的R-T曲線測(cè)量低溫，從而實(shí)現(xiàn)一支溫度計(jì)可測(cè)量5K-300K的溫度范圍。本專利技術(shù)的溫度計(jì)，當(dāng)測(cè)量溫度在5K-70K范圍內(nèi)，利用高電阻狀態(tài)測(cè)量溫度，其中電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為lnR=6. 59+2. 24*T_1/4。本專利技術(shù)的溫度計(jì)，當(dāng)測(cè)量溫度在70Κ-300Κ范圍內(nèi)，利用低電阻態(tài)測(cè)量溫度，其中電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為R=51. 35+0. 068T。本專利技術(shù)操作簡(jiǎn)單，功耗低，在±1V的外加電壓刺激下即可實(shí)現(xiàn)兩種阻態(tài)，即溫度測(cè)量時(shí)兩個(gè)檔位之間的相互轉(zhuǎn)化，可精確測(cè)量低至5K的低溫，而且測(cè)量精度高，制備方法簡(jiǎn)單，具有很廣闊的應(yīng)用前景。本專利技術(shù)人經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)中間ZnO絕緣層和下電極Co金屬之間形成的CoO層對(duì)此異質(zhì)結(jié)的電致電阻現(xiàn)象起著決定性的作用，并通過精確控制異質(zhì)結(jié)制備過程中的濺射功率、濺射時(shí)間以及濺射過程中的氧分壓成功制備出基于異質(zhì)結(jié)Co/CoO-ZnO/Ag的微米溫度計(jì)。根據(jù)本專利技術(shù)，溫度計(jì)所述異質(zhì)結(jié)Co/CoO-ZnO/Ag的制備方法，利用磁控濺射方法在襯底上生長(zhǎng)上下電極以及中間ZnO絕緣層，工藝條件及步驟如下濺射室真空抽至7. 5 X l(T5Pa，以純度為99. 95%以上的ZnO陶瓷和純度99. 99%以上的Co金屬和純度99. 99%以上的Ag金屬為靶材，將ZnO置于射頻靶，Co和Ag分別置于直流靶。以純度為99. 99%以上的高純Ar氣體作為濺射氣氛，Ar氣經(jīng)過氣體流量計(jì)進(jìn)入濺射室。Co的濺射功率為5W，濺射氣壓為O. 58Pa。ZnO的濺射功率為15W，濺射氣壓為O. 65Pa。Ag的濺射功率為5W，濺射氣壓為O. 55Pa。在襯底上方放置第一層不銹鋼掩膜，分別沉積I 2nm Cr, 25 35nmAg, 8 12nm Co,其中Cr作為緩沖層，Ag為金屬上電極，Co作為異質(zhì)結(jié)的下電極。然后更換上第二層不銹鋼掩膜，派射沉積8 12nm的ZnO層，ZnO的生長(zhǎng)氣氛為Ar氣與O2氣的混合氣,其中氧氣體積比為5%。。ZnO與Co交界面處的鈷被氧化鋅中的氧離子氧化形成CoO層，CoO層不是直接沉積層。然后更換上第三層不銹鋼掩膜，濺射55飛OnmAg作為金屬上電極。利用磁控濺射方法生長(zhǎng)的Co/CoO-ZnO/Ag異質(zhì)結(jié)能在外加電壓的作用下發(fā)生電致阻變，實(shí)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)金屬導(dǎo)電和半導(dǎo)體導(dǎo)電兩種導(dǎo)電狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換。利用低電阻狀態(tài)時(shí)的金屬導(dǎo)電特性對(duì)應(yīng)的R-T曲線測(cè)量高溫，利用高電阻狀態(tài)時(shí)的半導(dǎo)體導(dǎo)電特性對(duì)應(yīng)的R-T曲線測(cè)量低溫，從而實(shí)現(xiàn)一支溫度計(jì)可測(cè)量5K-300K的溫度范圍在本專利技術(shù)使用的異質(zhì)結(jié)，如Co/CoO-ZnO/Ag異質(zhì)結(jié)，中間ZnO層存在大量的氧空位，氧空位在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，使CoO-ZnO復(fù)合絕緣層中的CoOh層發(fā)生金屬-絕緣體相變，實(shí)現(xiàn)純電阻與二極管相互轉(zhuǎn)化，從而引起該異質(zhì)結(jié)的電致阻變現(xiàn)象。當(dāng)帶正電的氧空位在外加電場(chǎng)的作用下向Co電極移動(dòng)時(shí)，CoOh層轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘貱O，CO/CO0-Zn0/Ag處在低電阻狀態(tài)，此時(shí)異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出金屬導(dǎo)電特性，電阻隨溫度的升高而線性增加，利用此時(shí)的R-T曲線能很方便的測(cè)量高溫。當(dāng)氧空位在外加電場(chǎng)的作用下往ΖηΟ/Ag電極移動(dòng)時(shí)，CoOh層變成更絕緣的CoO，甚至COl_x0 P型半導(dǎo)體，與η型ZnCVv半導(dǎo)體形成Ρ_Ν結(jié)，從·而表現(xiàn)出半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，此時(shí)異質(zhì)結(jié)的電阻隨溫度的升高而降低，且低溫下電阻隨溫度變化幅度較大，因此利用此狀態(tài)下的R-T曲線精確地測(cè)量低溫。本專利技術(shù)的溫度計(jì)，測(cè)量方法如下本專利技術(shù)的異質(zhì)結(jié)純電阻-二極管復(fù)合溫度計(jì)，在測(cè)量時(shí)先把異質(zhì)結(jié)的Ag、Co上下電極和外電路測(cè)量?jī)x表相連接，工作電路圖如圖2所示。本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
異質(zhì)結(jié)純電阻?二極管復(fù)合溫度計(jì)，其特征在于采用Co/CoO?ZnO/Ag異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)中Co為下電極，Ag為上電極，CoO?ZnO為復(fù)合絕緣層。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：顏世申，李強(qiáng)，沈婷婷，曹艷玲，張昆，代正坤，劉國(guó)磊，陳延學(xué)，梅良模，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山東大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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