硅基二氧化钒薄膜制备及在太赫兹开关器件方面的应用

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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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 VO2的简介

1.3 VO2的制备情况

1.4 VO2薄膜的应用

1.5 VO2在THz技术方面的应用

1.6 本论文主要研究内容

第二章 VO2薄膜的制备技术研究

2.1 VO2薄膜的物相和形貌表征方法

2.2 在蓝宝石基片上制备VO2薄膜

2.3 在Si基底上直接制备VO2薄膜

2.4 本章小结

第三章 Si基高相变性能VO2薄膜的制备和研究

3.1 Al2O3缓冲层

3.2 在Al2O3缓冲层上制备Si基VO2薄膜的研究

3.3 Si基高相变性能VO2薄膜的研制

3.4 小结

第四章 基于VO2薄膜的电控THz开关器件的研究

4.1 电控THz开关设计

4.2 基于VO2的电控THz开关器件的制备

4.3 THz开关器件的性能测试

4.4 小结

第五章 全文结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果