[发明专利]一种异质结纯电阻-二极管复合温度计

说明书

技术领域

本发明涉及一种异质结纯电阻-二极管复合温度计，属于半导体材料与器件领域。

背景技术

现有的温度计可测量的温度范围通常比较窄，当要测量宽范围温度的情况下，必须准备几个温度计用于不同范围的温度测量。因此制备一种可以同时精确测量高低温度的温度计将给各种复杂情况下温度测量带来极大的方便。

CN200510011171.5（CN1632484A）提供了一种基于无序多壁碳纳米管—异质结的温度传感器，包括绝缘绝热管，填充在绝缘绝热管内的多壁碳纳米管粉末柱，设置在多壁碳纳米管粉末柱一端且与碳纳米管粉末柱紧密接触形成碳纳米管—金属异质结的金属温度探头以及封压在碳纳米管粉末柱另一端的导电金属块。工作时，先把电极和外电路测量仪表相连接，然后将金属温度探头与被测物体相接触，这样，由于碳纳米管—金属异质结的存在，电路中会产生随温度变化的热致电流，可测量温度范围宽，在大范围内均能保证同样的测量精度，对温度的响应时间快。

研究发现，金属/绝缘体/金属（MIM）结构中会由于氧化还原反应导致明显的电致阻变现象。但该理论研究尚未有应用于温度计的产品开发的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于Co/CoO-ZnO/Ag异质结的异质结纯电阻-二极管复合温度计，可用于微米范围温度测量。本发明还提供所述复合温度计的制备方法。

术语说明：

电致电阻：外加电脉冲引起的样品在几个稳定电阻状态之间来回转换的现象。

双极阻变：样品的电阻转变依赖于所加电信号的极性，例如：加正向电压时样品由高阻态变为低阻态，加反向电压时由低阻态变为高阻态。

HRS：高阻态，此时样品处在高电阻状态，表现出半导体导电特性，相应的R-T曲线可被用来测量低温。

LRS：低阻态，此时样品处在低电阻状态，表现出金属导电特性，相应的R-T曲线可被用来测量高温。

Vset:样品由HRS变为LRS时所需的外界电压。

Vreset:样品由LRS变为HRS时所需的外界电压。

微米范围温度测量，是指5K~300K范围的温度测量，测量物体的尺寸可以小到微米级。

本发明的技术方案如下：

异质结纯电阻-二极管复合温度计，包括使用Co/CoO-ZnO/Ag异质结，该异质结中Co为下电极，Ag为上电极，CoO-ZnO为复合绝缘层。

在CoO-ZnO复合绝缘层中，ZnO层存在氧空位（v），ZnO_1-v为n型半导体,CoO_1-x为p型半导体，两者形成p-n结，表现出二极管导电特性。

由于异质结对于温度反应很灵敏，可以达到对于微米级物体有温度感应。因此本发明的异质结纯电阻-二极管复合温度计可用于微米范围物体的温度测量。

该系列异质结能在外加电压的作用下产生稳定的双极阻变效应，测量过程中选定下电极Co接地。当上电极Ag加一定的正电压时，异质结会由高阻态变为低阻态，此时的电压称为Vset；当上电极Ag加一定的负电压时，则会由低阻态变为高阻态，此时的电压称为Vreset。当异质结处在高阻态时，其电阻随温度的升高而降低，表现出半导体导电特性，且低温区电阻随温度的变化幅度较大，因此可以利用异质结的高阻态准确测量低温。当异质结处在低阻态时，其电阻随温度的升高而增大，表现出金属导电特性，因此可以利用异质结的低阻态测量高温。这样，由于异质结能在外加电压的作用下发生电致阻变，电路中会产生随温度变化的电流。

在测量时，把异质结的Ag、Co上下电极和外电路测量仪表相连接，外电路中设有两个档位，分别对应两个反向电源；当电压银正、钴负时异质结处于低阻态，利用低电阻状态时的金属导电特性对应的R-T曲线测量高温；当电压是银负、钴正时异质结处于高组态；利用高电阻状态时的半导体导电特性对应的R-T曲线测量低温，从而实现一支温度计可测量5K-300K的温度范围。

本发明的温度计，当测量温度在5K-70K范围内，利用高电阻状态测量温度，其中电阻与温度的对应关系为：lnR=6.59+2.24*T^-1/4。

本发明的温度计，当测量温度在70K-300K范围内，利用低电阻态测量温度，其中电阻与温度的对应关系为：R=51.35+0.068T。

本发明操作简单，功耗低，在±1V的外加电压刺激下即可实现两种阻态，即温度测量时两个档位之间的相互转化，可精确测量低至5K的低温，而且测量精度高，制备方法简单，具有很广阔的应用前景。