本文選題：二氧化釩薄膜 + 電致相變��； 參考：《電子科技大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：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、光等外場驅(qū)動下會發(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(yīng)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(shù)(ALD)在Si襯底上制備均勻致密的氧化鋁(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(dá)到顯著改善。同時,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)生電致相變時電流躍遷幅度超過2個數(shù)量級,弛豫電壓寬度約0.1V�；贏l2O3/VO2/n-Si結(jié)構(gòu),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(chǎn)生,有望實(shí)現(xiàn)超快開關(guān)。并對器件電容-電壓特性(C-V)進(jìn)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(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波段的電控開關(guān)器件。結(jié)果表明在0.2THz-1THz這個頻段范圍內(nèi),通過電驅(qū)動VO2相變而實(shí)現(xiàn)對THz波的有效開關(guān)效果,最大消光比為11dB,該開關(guān)操控簡單,具有寬頻特性,顯示了Si基VO2薄膜在THz功能器件上的巨大應(yīng)用潛力。
[Abstract]:Terahertzt THz) is an electromagnetic spectrum between microwave and infrared waves.Traditional high-frequency electronic devices and optical devices are not suitable in the THz band, so the research of functional materials and devices that can be used in the THz band has attracted much attention.Vanadium oxide (VO _ 2) is driven by thermal, electric and optical fields, which results in the phase transition from metal to semiconductor, which makes it valuable in electromagnetic wave control, especially in terahertz wave control devices.But up to now, VO2 terahertz devices based on thermal control and optical control are difficult to operate and can not be compatible with high speed electronic systems.In order to meet the practical requirements of terahertz communication, imaging and other applications, the techniques and methods of preparing high quality VO2 phase transition films on Si Si substrates are studied in this paper. The performance of the films is verified by using THz switch devices as the representative.The technical scheme of realizing electronic controlled terahertz functional device is formed.Firstly, the preparation technology of VO2 thin films on Si substrates was studied.Due to the large lattice mismatch between Si substrates and VO2 thin films, it is difficult to fabricate VO2 thin films with high orientation and high quality directly on Si substrates, and the resistance varies by about two orders of magnitude.In order to improve the properties of VO2 films on Si substrates, a uniform and dense Al 2O 3 film was prepared on Si substrate by atomic layer deposition (ALAD) as a buffer layer to improve the properties of VO2 thin films.Compared with the samples prepared directly on Si substrates, the addition of buffer layer increases the resistance (螖 R) of VO2 thin films by an order of magnitude, and the thermal hysteresis loop width (螖 T) and relaxation time (螖 H) are significantly improved.At the same time, a two-terminal planar device based on VO2 is constructed. Its current-voltage I-V) characteristics show that the VO _ 2 thin film has obvious electroinduced phase transition characteristics. The current transition amplitude of the VO _ 2 thin film is more than two orders of magnitude, and the relaxation voltage width is about 0.1 V.Based on Al2O3/VO2/n-Si structure, a kind of "metal-oxide-insulator-semiconductor" vertical device structure. I-V test shows that because of the existence of Al2O3 buffer layer,The leakage current of the device is reduced to 10 渭 A, which can significantly inhibit the Joule heat generation in the phase transition process and is expected to achieve ultra-fast switching.The capacitance-voltage characteristic of the device is analyzed.It is observed that the capacitance of the device suddenly decreases at a certain bias voltage, which plays a supporting role in the Mott-Hurband mechanism of the electric field triggering the phase transition of VO2 thin films.In this paper, a micro interDigital electrode array is fabricated on the surface of VO2 sample, and a kind of electronic control switch device can be used in THz band.The results show that in the frequency range of 0.2THz-1THz, the switch effect of THz wave is realized by electrically driving VO2 phase transition. The maximum extinction ratio is 11dB. the switch is easy to operate and has wide frequency characteristic.The application potential of Si-based VO2 thin films in THz functional devices is demonstrated.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ135.11;TB383.2

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