氧化钒薄膜电阻伏安特性分析

收稿日期:2007-10-11.
材料、结构及工艺
氧化钒薄膜电阻伏安特性分析
陈 超,蒋亚东,吴志明
(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054)
摘 要: 对氧化钒薄膜电阻的伏安特性进行了仿真分析,结合实测氧化钒薄膜I V 曲线,指出在器件的应用当中,首先应避免氧化钒薄膜电阻发生相变;在此基础上,对氧化钒薄膜电阻加恒流偏置时,存在端电压过低的问题;指出应该采用脉冲电流为氧化钒薄膜电阻提供偏置,这样既可以提高其端电压,以驱动下一级读出电路,又可以避免氧化钒薄膜电阻发生相变。

关键词: 氧化钒;薄膜;伏安特性;脉冲电流偏置
中图分类号:O484.4 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2008)05-0716-03
Analysis of the I V Characteristic of Vanadium Oxide Thin Film
CH EN Chao,JIANG Ya dong,WU Zhi m ing
(State Key Laboratory of Electronic Thin Film and Integrated Device,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,C HN)
Abstract: T he I V char acteristic o f vanadium o xide thin film is simulated and analyzed.Co mbined w ith the tested I V curve,the first important thing is to avo id phase transform ation of the film in device applications.For such devices,there is one problem:the port vo ltag e is v ery low w hen the v anadium o xide thin film is under constant current bias.It is pointed out that the pulse current bias should be adopted to prov ide bias,then bo th the port vo ltag e can be increased to drive the nex t readout circuit and the phase transformation can be avoided.
Key words: vanadium ox ide;thin film;volt am pere characteristic;pulse current bias
1 引言
氧化钒具有较高的温度 电阻系数、相对成熟的沉积技术、沉积条件与硅集成工艺兼容、适中的电阻率,是理想的电阻敏感材料。

氧化钒薄膜作为敏感材料的热探测器的研究已经取得突破性进展[1]。

由于其高温相变的特点,氧化钒电阻应用于器件上时,在偏置电流作用下,其端电压的变化以及伏安特性的变化都会极大地影响氧化钒电阻本身的性质和信号的读出[2],因此对氧化钒电阻在电流偏置条件下的工作状态和伏安特性进行研究就显得尤为重要,通过分析可以找到为氧化钒薄膜电阻施加电流偏置的合理方式和范围,保证其工作在正常状态,并为后端读出电路的设计提供依据。

2 恒流偏置下的氧化钒薄膜电阻伏安特性
室温下氧化钒电阻呈半导体相,当工作在电流偏置条件下,不考虑辐射能量,可以得到其伏安特性
[3]
:
V =IR (T s )exp
E
k (T s +I V /G)
(1)
其中,T s 是衬底温度,G 是探测器的导纳,I 是施加的偏置电流,R(T s )是室温下的氧化钒薄膜电阻值, E =1/2E g 是激活能,而E g 是材料禁带宽度,这里E g 取1.6eV
[3]。

当偏置电流产生的焦耳热使得氧化钒电阻温度超过其相变温度时,氧化钒电阻将会发生半导体 金属相变过程[4],进入高温金属相,其工作特性将随之
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改变。

相变过程呈现一级相变特征,伴随相变潜热,电阻率在相变温区的变化存在热滞,故无法直接将高电阻率的变化用于热探测[5]。

氧化钒应用于热探测器时应避免工作在相变温区。

在相变温区,其伏安特性也将不再遵从式(1)的关系。

此时,其伏安特性可表示为[3]
V =IR (T s )1+ I V/G
(2)
式中, 为氧化钒的温度 电阻系数。

结合式(1)和(2),采用计算机仿真手段分析实
际中的氧化钒电阻的伏安特性。

让偏置电流从0开始增大,判断出由于焦耳热的聚集使得氧化钒电阻何时发生相变。

由于VO 2在温度为68 时会呈现出明显的半导体 金属相变特点
[4]
,而实际制作的氧
化钒电阻是以低价态的钒氧化物为主,因此仿真时近似取相变温度为68 。

取实际的一组典型数字实例,室温下: =-0.02K -1,R (T s )=60k ,G =2!10-
7W/K,得到氧化钒电阻的伏安特性曲线如图1所示。

图1 直流偏置下的氧化钒电阻伏安特性仿真曲线
对图1进行分析:当偏置电流从0增大时,氧化钒薄膜电阻的伏安特性曲线呈指数关系上升,当偏置电流I =30!A 时,端电压V =0.33V,此时电阻R(T )降至约11k ;此后由于温度聚集超过了相变温度,氧化钒电阻将处于相变区。

考虑到实际使用氧化钒电阻时并不会让它工作在相变区,因此对这一区域中的伏安特性暂不讨论。

在图1中用虚线表示相变区;当氧化钒薄膜电阻从低温半导体相进入高温金属相后,电阻值随偏置电流增大而下降。

从图1中的伏安特性曲线可以看到,在进入相变区前存在一个临界值:I =30!A 。

这就为实际应用器件的设计提供了一定依据。

在R(T s )=60k 时,理论上无论是在器件测试还是在后端读出电路的设计中,施加的恒流偏置电流都不能超过这一临
界值,否则将使氧化钒薄膜电阻进入相变区,导致器件失效。

图2和3所示为实际测试得到的氧化钒伏安特性曲线。

从图2和图3看出,在偏置电流小于30!A 时,氧化钒电阻两端的电压一直呈单调上升趋势,而氧化钒电阻的阻值则一直随偏置电流的上升而单调下降。

这组测试数据充分验证了对氧化钒薄膜电阻伏安特性的理论分析和仿真结果
,正是由于在测试中严格遵守了偏置点不能超过临界点这一原则,保证了器件始终能有效工作。

3 脉冲电流偏置下的氧化钒电阻伏安特性
在前面的伏安特性仿真和测试中,发现在进入临界点以前薄膜电阻的端电压均未超过0.5V,而通常硅材料pn 结的阈值电压在0.7V 左右,恒流偏置下氧化钒电阻的实际端电压值往往还不足以驱动后端电路[6]。

因此,在设计中需要引入脉冲电流偏置,使氧化钒薄膜电阻上的电压能够提高到足以驱动下一级读出电路,同时,也可以避免薄膜电阻在短时间内聚集过多热量而进入相变区。

717 ∀半导体光电#2008年10月第29卷第5期陈 超等: 氧化钒薄膜电阻伏安特性分析
当采用脉冲电流提供偏置时,热探测器的热平衡方程为
[3]
C
d T d t
+G T =I 2
R(T)(3)R(T)=R (T s )ex p E
kT
(4)
在此次仿真分析中,暂取氧化钒薄膜电阻的阻值为初始电阻的阻值,因为在后面的仿真结果也能看出,其温升不大,氧化钒电阻近似不变。

取脉冲偏置电流I 的周期为15m s,其中脉冲作用时间t pulse =20!s,初始温度T s =300K,G =2!10-7W/K ,C =3!10-9J/K,R (T )=R (T s )=60k ,并连续改变偏置电流的取值,采用计算机仿真手段可求得方程(3)的数值解,如图4所示。

从图4可以看到,在脉冲电流作用时间t pulse 内,单元温度单调上升,当脉冲电流未作用时
,单元温度略有回落;在经过足够多个脉冲周期后,单元温度会趋于稳定。

图4 脉冲电流偏置下的单元温升 T
同时,从图4中也可以看到温升随脉冲电流变化的关系。

当偏置电流从0增加到45!A 时,氧化钒薄膜电阻的温升不到0.8K 。

由于温升较小,采
用脉冲偏置能避免敏感材料上聚集过多的焦耳热,从而防止氧化钒发生相变而导致器件失效。

在脉冲电流作用的过程中,薄膜电阻随温度变化为R (T ),根据V =I R (T )便可得到此时薄膜电阻端电压值,绘出其伏安特性曲线,如图5所示。

可以明显地看到,随着偏置电流从0增加到45!A,由于温升值很小,氧化钒薄膜电阻的阻值下降不大,其端电压随着偏置电流以较好的线性度上升到约2.5V,且不会进入相变区。

这一分析结果为后端读出电路的设计提供了依据。

例如,当R(T s )=60k 时,采用20!A 的脉冲电流为薄膜电阻提供偏置时,其在室温下的端电压为
1.2V,不会超过理论上的临界值,同时足以驱动下一级电路。

图5 脉冲电流偏置下的氧化钒薄膜电阻伏安特性曲线
4 结论
通过计算机仿真和实测数据分析了氧化钒的伏安特性。

结果表明,在未产生相变时,氧化钒表现出了良好的热敏性能。

但若采用恒流偏置,端电压过低,如果一味提高偏置电流,氧化钒薄膜电阻又很容易由于过多的焦耳热聚集发生相变而进入金属相,导致器件失效。

为了避免相变的发生,在非致冷红外探测器的应用当中,应采用脉冲电流对氧化钒敏感材料进行偏置,这样既能防止产生过多的焦耳热使氧化钒发生相变进入金属相,同时又能有效地提高其端电压值。

本文着重分析了恒流偏置下以及脉冲电流偏置下的氧化钒薄膜电阻伏安特性,并指出:对现有氧化钒薄膜,若采用20!A 的脉冲电流为其提供偏置,室温下的端电压为1.2V,足以驱动后端电路。

这给后端读出电路的设计提供了理论依据。

参考文献:
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作者简介:
陈 超(1980-),男,硕士研究生,从事光电材料和器件的研究。

E mail:chenchao0907@y ahoo.co
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