過酸化相を核とする再結晶を利用したSi基板上VO2薄膜の配向成長:基板バイアス印加スパッタ法による再結晶化

摘要

二酸化バナジウム(VO_2)は室温では絶縁体的性質を示す一方, 68°C付近において絶縁体-金属相転移を生じ, 抵抗値が4~5桁程度低い金属的性質を示す. そのため, 汎用性の高いSi基板上へVO_2成膜することで, CTRサーミスタや光変調器等への適用が期待できる. しかし, VO2と格子整合を有しないSi基板上への堆積ではサファイアやTiO_2基板上のように配向成長しないため, 急峻で大きな抵抗値変化を得ることは難しい. そこで我々は2018年秋の応用物理学会にて, 基板バイアス印加スパッタ法を用いたSi基板上VO_2薄膜の配向成長による電気的特性の改善を報告した.この配向成長は, 基板バイアス印加によるイオン照射エネルギーの増加が塑性変形を駆動する役割を果たし, ある時間でマトリクス結晶粒がエネルギー的に不安定となることで再結晶化してエネルギー的安定面への優先配向が生じると考えられる. また, 基板バイアス印加のタイミングが重要であり, V_6O_(13)や V_2O_5などの過酸化相を成膜初期に成長させた後, 成膜途中から基板バイアスを印加することで最終的にVO_2が配向成長する. この成膜方法は, 低融点の過酸化相がVO_2薄膜の再結晶核になるという我々の過去の考察結果を基にした手法である.また, 低融点のV_2O_5がannealingによってVO_2 microanowire の核形成を促進したという報告もなされている. 本研究では Si 基板上 VO2薄膜が配向成長するために適した初期過酸化相成長の時間を求めるために, 初期過酸化相の成膜時間を変化させて成膜を行った.