硅基二氧化釩薄膜制備及在太赫茲開(kāi)關(guān)器件方面的應(yīng)用.pdf

1、太赫茲波(Terahertz, THz)是介于微波和紅外波之間的電磁頻譜。傳統(tǒng)的高頻電子器件和光學(xué)器件在THz頻段不適用，因此對(duì)可應(yīng)用在THz頻段的功能材料和器件的研究備受關(guān)注。二氧化釩(VO2)在熱、電、光等外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下會(huì)發(fā)生金屬態(tài)到半導(dǎo)體態(tài)相變，使得它在電磁波尤其是太赫茲波調(diào)控器件中具有重要應(yīng)用價(jià)值。但到目前為止，基于熱控和光控的VO2太赫茲器件存在操作不便，無(wú)法與高速電子系統(tǒng)相兼容等問(wèn)題。
　　本文主要針對(duì)太赫茲通信、成像等應(yīng)

2、用系統(tǒng)的實(shí)際需求，研究在硅(Si)襯底上制備高質(zhì)量VO2相變薄膜的技術(shù)和方法，并以THz開(kāi)關(guān)器件為代表，驗(yàn)證薄膜性能，形成實(shí)現(xiàn)電控型太赫茲功能器件的技術(shù)方案。
　　首先研究了Si基底上VO2薄膜的制備技術(shù)。由于Si基底和VO2薄膜之間大的晶格失配度等原因，直接在Si基底上制備高取向、高質(zhì)量的VO2薄膜相對(duì)困難，電阻變化約2個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　為了改善Si基VO2薄膜的性能，我們利用原子層沉積技術(shù)（ALD）在Si襯底上制備均勻致密

3、的氧化鋁(Al2O3)作為提高VO2薄膜性能的緩沖層。與直接在Si基底上制備的樣品相比，緩沖層的引入使VO2薄膜發(fā)生相變時(shí)的電阻變化(ΔR)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，熱滯回線寬度(ΔT)和弛豫時(shí)間(ΔH)均達(dá)到顯著改善。同時(shí)，構(gòu)建了基于VO2的二端平面器件，其電流-電壓(I-V)特性顯示，VO2薄膜具有明顯的電致相變特性，VO2薄膜發(fā)生電致相變時(shí)電流躍遷幅度超過(guò)2個(gè)數(shù)量級(jí)，弛豫電壓寬度約0.1V。
　　基于Al2O3/VO2/n-Si結(jié)構(gòu)，

4、構(gòu)建了一種“金屬-氧化物-絕緣層-半導(dǎo)體”（MOIS）垂直器件結(jié)構(gòu)。I-V測(cè)試表明由于Al2O3緩沖層的存在，該器件的漏電流降低到10μA，能夠顯著抑制相變過(guò)程中焦耳熱的產(chǎn)生，有望實(shí)現(xiàn)超快開(kāi)關(guān)。并對(duì)器件電容-電壓特性(C-V)進(jìn)行了分析。觀測(cè)到在一定的偏壓下，器件電容突然變小的現(xiàn)象，對(duì)電場(chǎng)觸發(fā)VO2薄膜相變的Mott-Hurband機(jī)制起到一定的支撐作用。
　　本文在制備的VO2樣品表面制作微叉指電極陣列，構(gòu)建了一種可應(yīng)用在THz