硅基二氧化釩薄膜制備及在太赫茲開關器件方面的應用.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器件在THz頻段不適用，因此對可應用在THz頻段的功能材料和器件的研究備受關注。二氧化釩(VO2)在熱、電、光等外場驅動下會發(fā)生金屬態(tài)到半導體態(tài)相變，使得它在電磁波尤其是太赫茲波調控器件中具有重要應用價值。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，無法與高速電子系統(tǒng)相兼容等問題。
　　本文主要針對太赫茲通信、成像等應

2、用系統(tǒng)的實際需求，研究在硅(Si)襯底上制備高質量VO2相變薄膜的技術和方法，并以THz開關器件為代表，驗證薄膜性能，形成實現(xiàn)電控型太赫茲功能器件的技術方案。
　　首先研究了Si基底上VO2薄膜的制備技術。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、高質量的VO2薄膜相對困難，電阻變化約2個數(shù)量級。
　　為了改善Si基VO2薄膜的性能，我們利用原子層沉積技術（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)生相變時的電阻變化(ΔR)提高一個數(shù)量級，熱滯回線寬度(ΔT)和弛豫時間(ΔH)均達到顯著改善。同時，構建了基于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)生電致相變時電流躍遷幅度超過2個數(shù)量級，弛豫電壓寬度約0.1V。
　　基于Al2O3/VO2/n-Si結構，

4、構建了一種“金屬-氧化物-絕緣層-半導體”（MOIS）垂直器件結構。I-V測試表明由于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程中焦耳熱的產生，有望實現(xiàn)超快開關。并對器件電容-電壓特性(C-V)進行了分析。觀測到在一定的偏壓下，器件電容突然變小的現(xiàn)象，對電場觸發(fā)VO2薄膜相變的Mott-Hurband機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，構建了一種可應用在THz