氧化釩半導(dǎo)體功能薄膜的光電特性及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著光電器件朝著微小型化、低功耗、集成化及智能化飛速發(fā)展，高性能光電材料與器件集成化技術(shù)成為當(dāng)前熱點(diǎn)之一。氧化釩由于其獨(dú)特的光電性能在非制冷紅外探測(cè)器、光電調(diào)節(jié)器、智能窗、光存儲(chǔ)及傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注。諸多氧化釩器件應(yīng)用均對(duì)光電器件特性的一致性有著很高的要求，而氧化釩的多價(jià)態(tài)特性常導(dǎo)致薄膜組分、質(zhì)量偏析較大，對(duì)光電器件特性的一致性影響很大。如何通過(guò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化氧化釩成膜工藝，獲得表面質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)和成分可控工藝，成為高成品率、高可靠性

2、氧化釩光電器件的關(guān)鍵工作之一。本論文設(shè)計(jì)優(yōu)化了不同方法在不同襯底上氧化釩的成膜特性，通過(guò)可控工藝實(shí)現(xiàn)了成膜質(zhì)量可控，并結(jié)合不同光電特性探索了其應(yīng)用研究。
　　本論文分別采用金屬釩熱氧化法和反應(yīng)濺射法制備氧化釩薄膜；通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、8-F太赫茲時(shí)域頻譜系統(tǒng)（THz-TDS）及半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)所制備的氧化釩薄膜微結(jié)構(gòu)和光電性能進(jìn)行了表征；通過(guò)原子

3、遷移擴(kuò)散、表面界面電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及電子運(yùn)輸機(jī)制并結(jié)合導(dǎo)電原子力顯微鏡（CAFM），研究了不同激勵(lì)方式下氧化釩相變機(jī)理。
　　首先，在聚酰亞胺（Polyimide：PI）及 c-Al2O3基底上制備了氧化釩薄膜。通過(guò)研究熱氧化工藝中的時(shí)間及溫度對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)及相變特性的影響，制備出具有良好熱致相變性能的氧化釩薄膜。通過(guò)工藝優(yōu)化得到結(jié)果如下：
　?。?）基于PI基底60nm的金屬釩經(jīng)過(guò)380℃/120s的熱氧化后形成的氧化釩薄膜相變

4、性能良好，薄膜中V4+的含量為51.05％，相變溫度為41℃，熱滯回線寬度為5℃。
　　（2）基于c-Al2O3基底100nm的金屬釩經(jīng)過(guò)500℃/60s的熱氧化后形成的氧化釩薄膜具有穩(wěn)定的熱致相變特性，薄膜中 V4+的含量為78.59%，相變溫度為49℃，熱滯回線寬度為4℃。
　?。?）通過(guò)AFM原位加熱測(cè)試系統(tǒng)表征不同溫度下薄膜表面微結(jié)構(gòu)的變化。隨著溫度的升高，薄膜表面形貌由長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形顆粒。分析得到氧化釩薄膜的熱致

5、相變特性是由其結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的。
　　其次，利用太赫茲時(shí)域頻譜系統(tǒng)測(cè)試了氧化釩薄膜的太赫茲波調(diào)制特性。研究結(jié)果表明隨著激勵(lì)光功率的增大，薄膜的太赫茲波調(diào)制變化率也隨之變大。PI基底上的氧化釩薄膜在100mW的光激勵(lì)下調(diào)制變化率可達(dá)73.8%，而 c-Al2O3基底的氧化釩薄膜在800mW的光激勵(lì)下調(diào)制變化率可達(dá)70.7%。經(jīng)過(guò)多次原位反復(fù)測(cè)試結(jié)果表明優(yōu)化工藝條件后所制備的氧化釩薄膜具有穩(wěn)定可逆的太赫茲波調(diào)制特性。通過(guò)光激勵(lì)時(shí)氧化釩薄

6、膜表面溫度的變化并結(jié)合電子運(yùn)輸機(jī)制分析認(rèn)為光激勵(lì)氧化釩薄膜產(chǎn)生相變是由薄膜內(nèi)部載流子的遷移導(dǎo)致的。
　　最后，通過(guò)外加電壓的方式測(cè)試了Cu/VOx/Cu器件單元的電阻開(kāi)關(guān)特性。其I-V曲線結(jié)果表明，薄膜的中V2O5含量越多，其開(kāi)關(guān)特性越穩(wěn)定。Cu/VOx/Pt、Cu/VOx/Al、Cu/VOx/Cu三種器件結(jié)構(gòu)的電阻開(kāi)關(guān)特性表明其分別為單極性，雙極性和無(wú)極性存儲(chǔ)單元。通過(guò)CAFM分析認(rèn)為Cu/VOx/Pt和Cu/VOx/Cu都屬于