[发明专利]一种在硅基底上制备高电阻变化率二氧化钒薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料和薄膜技术领域，涉及VO₂薄膜的制备方法，具体为一种在硅基底上制备具有明显择优取向的高电阻变化率二氧化钒薄膜的方法。

背景技术

二氧化钒是一种典型的金属-绝缘体相变(MIT)材料，在约68℃时，二氧化钒发生由单斜相(M相)到金红石相(R相)的可逆相结构转变，同时伴随着光学、电学、磁学性能等的剧烈变化。利用二氧化钒的这种独特的相变性质，使其在热敏电阻材料、光电开关材料、光存储，红外探测材料，新型半导体开关电路以及太赫兹调制器等领域具有广泛的应用。因此，对于二氧化钒薄膜的研究具有十分重要的科学价值。

现有技术中，制备单斜相二氧化钒薄膜常见方法有溶胶-凝胶涂层、热蒸发、溅射沉积、脉冲激光沉积等。不同方法制备的二氧化钒薄膜其光学，电学，磁学等性能有很大的差别。综合考虑到经济因素、薄膜的质量和成功率等，磁控溅射是最适合制备二氧化钒薄膜的方法之一。

蓝宝石作为一种典型沉积氧化钒薄膜的基底，其与单斜相氧化钒完美的晶格匹配，在蓝宝石衬底上生长的氧化钒薄膜可以实现电阻率变化幅度在四个数量级左右。然而，当应用于半导体器件时，在Si半导体衬底上生长的VO₂薄膜由于基底与氧化钒的晶格失配度较大，薄膜电阻变化率(ΔR)较小，有待提高。如公开号为CN1963997A，公开日为2007.05.16的中国专利中公开了一种Si基VO₂薄膜的制备工艺，其制备得VO₂薄膜得电阻率变化范围为0.06Ω·cm～10.44Ω·cm(电阻变化率为2个数量级)。为了提高其电阻变化率，有学者提出在Si基底上沉积缓冲层的方式来改变VO₂薄膜的成膜质量。如文章《Semiconductor to metal transit ion characteristics of VO2thin films grown epitaxially on Si(001)》(Applied Physics Let ters95,111915(2009)；doi:10.1063/1.3232241,A.Gupta,R.Aggarwal,P.Gupta,T.Dutta,R oger,J.Narayan,andJ.Narayan)公开了一种在Si衬底上外延生长一层145nm厚的YSZ(yttri a-stabilized zirconia)缓冲层然后再沉积VO₂薄膜的方法；该方法制备的VO₂薄膜的电阻变化率能够达到3个数量级。但是外延工艺复杂，难于控制，且缓冲层较厚很容易引入其他影响，电阻变化率也不够理想，有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在硅基底上制备高质量VO₂薄膜的方法，用以提高硅基VO₂薄膜相变电阻变化率和其他相变特性。本发明工艺简单，易于实现，成膜质量高，制备得硅基VO₂薄膜具有明显的(011)择优取向，电阻变化率(ΔR)达到4个数量级。

本发明的技术方案为：一种在硅基底上制备高电阻变化率VO₂薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.清洗硅基底：选用双面抛光的Si基底清洗干净，用氮气吹干备用；

步骤2.沉积Al₂O₃缓冲层：采用原子层沉积法(ALD)在Si基底上沉积Al₂O₃缓冲层，将Si基底放入原子沉积装置沉积腔中，加热沉积腔至80～120℃，通入氧气与氩气，控制氧气流量为2～20sccm、氩气流量10～20sccm，并保持腔体气压为50～100毫托，打开射频源开关，设置射频功率为180W，通入三甲基铝(TMA)，沉积一定厚度的Al₂O₃薄膜；薄膜的厚度为20nm以上。