[發明專利]一種高價金屬陽離子摻雜制備的B相VO2熱敏薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201610176125.9
• 申請日: 2016-03-26
• 公開（公告）號: CN105624629A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發明（設計）人: 高彥峰;萬冬云;熊平;郭貝貝
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/08;C23C14/58
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種高價金屬陽離子摻雜制備的B相VO₂熱敏薄膜及其制備方法，屬于 非制冷紅外探測器與成像器件制備技術領域。

背景技術

氧化釩薄膜由于具有高的電阻溫度系數(TCR)，合適的電阻，制備工藝與硅兼容以 及其制得的器件具有較低的1/f噪聲與較高的幀數（60HZ）等特點，并且較低工藝溫度的 氧化釩熱敏材料由于對微結構下的讀出電路不產生破壞作用，所以成為目前最廣泛使用的 非制冷紅外探測器芯片用熱敏薄膜材料。氧化釩作為熱敏材料在非制冷紅外探測器上的應 用的重要的參數：室溫TCR與方塊電阻。氧化釩熱敏薄膜TCR越高，方阻合適(10kΩ/□～60 kΩ/□)，其噪聲越小，紅外探測器越靈敏。VO₂(M)相薄膜在68℃具有M-R相變，([1]F.J. Morin.Oxideswhichshowametal-to-insulatortransitionattheNeel temperature.Phys.Rev.Lett.3(1959)34-36)電阻率可因相變產生10³-10⁴的變化，因 此相變區域會有非常高的TCR和相應良好的微測輻射熱計響應。但是，與之伴隨的諸多問 題：滯后回線易使探測器的運行混亂；相變過程伴隨的吸熱和放熱會干擾輻射熱計的運行； 為達到相變溫度需將輻射熱計加熱到其相變溫度需額外增加一個激光加熱器；過多的噪聲 等，基于這些問題，現在的紅外焦平面技術傾向于摒棄這種非常高的TCR過渡區，而是基于 在室溫附近的半導體區來運作。因此，制備在室溫下高電阻溫度系數、合適方阻的氧化釩熱 敏薄膜成為了研究人員重點研究對象。

VO₂(B)相薄膜在室溫下無相變，因此沒有電學、光學參數的突變，也沒有熱滯效 應，是一種理想的紅外探測器材料。但由于VO₂(B)相薄膜具有電阻太大（達到MΩ級），TCR較 小（小于2%/K）等不利因素，限制了VO₂(B)薄膜的應用。([2]Wada,H.;Nagashima,M.; Oda,N.etal.Designandperformanceof256x256bolometer-typeuncooled infrareddetector.Proc.SPIE.1998,3379,90-100.)二氧化釩的導電主要靠其3d電 子層，由于VO₂(B)結構中的V⁴⁺離子3d電子層只有一個電子，使薄膜導電性較差。另外VO₂(B) 相薄膜的3d電子被束縛在V⁴⁺離子周圍，V-V對V3d電子束縛力大，導電激活能高。隨著溫度 的變化，VO₂薄膜電阻變化小，導致TCR也較小。適當的摻雜可以提高薄膜的TCR和降低電阻。 目前對摻雜的研究主要集中在降低VO₂(M)相變溫度使相變發生在室溫下，同時保持高的 TCR。通常向薄膜中摻入高價W⁶⁺、Mo⁶⁺、Nb⁵⁺和Ta⁵⁺離子來降低相變溫度。SangwookLee等研究 了鎢梯度摻雜氧化釩納米線，大大提高了氧化釩|TCR|(相變區域大于8%/K)，但其制備的 納米線的室溫電阻大于100kΩ，大大制約了其在非制冷紅外探測器上的應用。([3]S. Lee,C.Cheng,H.Guo,Axiallyengineeredmetal-insulatorphasetransitionby gradeddopingVO₂nanowires,J.Am.Chem.Soc.135(2013)4850-4855)然而，很少 報道調控VO₂(B)相薄膜結構或性質，由于VO₂(B)室溫下無相變，不可能像VO₂(M)相通過調節 相變溫度和熱滯來改善薄膜性能。