[发明专利]一种单晶二氧化钒薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种单晶二氧化钒薄膜的制备方法，包括：在c‑Al₂O₃衬底上磁控溅射金属钒薄膜；然后在空气中进行氧化处理，自然冷却，即得。本发明制备的二氧化钒薄膜在相变前后电阻率变化达4.6个数量级，并且薄膜结晶取向为(020)单晶取向。本发明提供了一种单晶二氧化钒薄膜的简单制备方法，且能与其它半导体工艺相互兼容。

技术领域

本发明属于二氧化钒薄膜材料的制备领域，特别涉及一种单晶二氧化钒薄膜的制备方法。

背景技术

VO₂薄膜是一种相变材料，它可以在约68℃的条件下实现超快的金属-绝缘体相变。VO₂薄膜相变前后物理性质发生明显的改变，其中VO₂薄膜相变前后的电阻能发生几个数量级的变化。特别是，当结晶性较好的VO₂薄膜生长在c-Al₂O₃基片上时，其相变后的电阻率与相变前的电阻率之比可以超过4个数量级。这种大幅度的相变前后电阻率的改变不仅体现了VO₂薄膜良好的结晶性，而且还使得VO₂薄膜能成为下一代晶体管的开关器件，光学开关器件和存储器件等器件的理想材料。

然而，对于c-Al₂O₃基片上外延生长的单晶VO₂薄膜，国内外所使用的方法多数为：脉冲激光沉积法，分子束外延法等昂贵的物理气相沉积(PVD)仪器。此外，反应溅射法虽然同样可以制备结晶性较好的VO₂薄膜，但是通常需要真空室基底达到500℃，且必须严格控制氩气、氧气的比例，还需要一个比较好的射频电源，才能满足这样的薄膜制备，这一系列复杂而又精准的沉积条件给外延VO₂薄膜的制备又添加了无形且高昂的质量控制成本。

如现有文献(康朝阳,张聪,程静云,刘坤,李明,曹国华,et al.(2017).蓝宝石衬底上vo_2薄膜的pld外延生长.真空科学与技术学报,37(6),623-627.)为在时间上相对而言较近的研究。该文所采用的是脉冲激光沉积法，具有以下缺点：1、脉冲激光沉积法具有设备昂贵、沉积面积极小的缺点，这种方法需要调节氧分压，并且退火需要在真空中，温度需要达到550℃，对真空设备和气流设备要求较高。该方法制备出来的VO₂电阻变化超过4个数量级，约4.2个数量级左右。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种单晶二氧化钒薄膜的制备方法，克服现有技术制备方法条件苛刻、成本高等缺陷，该方法重复性高、对薄膜沉积和退火的仪器和设备要求低为单晶的VO₂薄膜的简易制备方法。

本发明的一种单晶二氧化钒薄膜的制备方法，包括：

(1)在c-Al₂O₃衬底上磁控溅射金属钒薄膜；

(2)将上述金属钒薄膜在空气中进行快速氧化处理，处理结束后在空气中自然冷却，即得单晶二氧化钒薄膜。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中c-Al₂O₃衬底为在(0006)单晶取向的c-Al₂O₃基片，基片厚度为0.5mm。

衬底为：(0006)单晶取向的蓝宝石(c-Al₂O₃)衬底。

所述步骤(1)中在极低溅射氩气压下使用直流磁控溅射镀膜法在c-Al₂O₃基片上制备了电阻率0.5～0.8Ω·μm的金属钒薄膜。

所述步骤(1)中磁控溅射为直流磁控溅射。