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《电子科技大学》 2015年
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硅基二氧化钒薄膜制备及在太赫兹开关器件方面的应用

熊瑛  
【摘要】:太赫兹波(Terahertz,THz)是介于微波和红外波之间的电磁频谱。传统的高频电子器件和光学器件在THz频段不适用,因此对可应用在THz频段的功能材料和器件的研究备受关注。二氧化钒(VO2)在热、电、光等外场驱动下会发生金属态到半导体态相变,使得它在电磁波尤其是太赫兹波调控器件中具有重要应用价值。但到目前为止,基于热控和光控的VO2太赫兹器件存在操作不便,无法与高速电子系统相兼容等问题。本文主要针对太赫兹通信、成像等应用系统的实际需求,研究在硅(Si)衬底上制备高质量VO2相变薄膜的技术和方法,并以THz开关器件为代表,验证薄膜性能,形成实现电控型太赫兹功能器件的技术方案。首先研究了Si基底上VO2薄膜的制备技术。由于Si基底和VO2薄膜之间大的晶格失配度等原因,直接在Si基底上制备高取向、高质量的VO2薄膜相对困难,电阻变化约2个数量级。为了改善Si基VO2薄膜的性能,我们利用原子层沉积技术(ALD)在Si衬底上制备均匀致密的氧化铝(Al2O3)作为提高VO2薄膜性能的缓冲层。与直接在Si基底上制备的样品相比,缓冲层的引入使VO2薄膜发生相变时的电阻变化(ΔR)提高一个数量级,热滞回线宽度(ΔT)和弛豫时间(ΔH)均达到显著改善。同时,构建了基于VO2的二端平面器件,其电流-电压(I-V)特性显示,VO2薄膜具有明显的电致相变特性,VO2薄膜发生电致相变时电流跃迁幅度超过2个数量级,弛豫电压宽度约0.1V。基于Al2O3/VO2/n-Si结构,构建了一种“金属-氧化物-绝缘层-半导体”(MOIS)垂直器件结构。I-V测试表明由于Al2O3缓冲层的存在,该器件的漏电流降低到10μA,能够显著抑制相变过程中焦耳热的产生,有望实现超快开关。并对器件电容-电压特性(C-V)进行了分析。观测到在一定的偏压下,器件电容突然变小的现象,对电场触发VO2薄膜相变的Mott-Hurband机制起到一定的支撑作用。本文在制备的VO2样品表面制作微叉指电极阵列,构建了一种可应用在THz波段的电控开关器件。结果表明在0.2THz-1THz这个频段范围内,通过电驱动VO2相变而实现对THz波的有效开关效果,最大消光比为11dB,该开关操控简单,具有宽频特性,显示了Si基VO2薄膜在THz功能器件上的巨大应用潜力。
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