新型钛的制备与表征过程和Ti -pt隧道二极管

摘要

远程授权的无线传感器网络使用不同的能源，包括光伏太阳能电池、无线电力传输和电池。另一种选择是收集环境中可用的电磁能量，为这些远程传感器提供动力。如果想要在广泛的电磁波谱中获取环境能量，这是特别有价值的。这激发了开发能量收集设备的研究，这种设备可以吸收这些能量并产生直流电压。整流天线是一种与整流装置耦合的天线，是吸收GHz和太赫兹频率电磁辐射的主要部件。整流MIM隧道二极管能够在数十和数百GHz频率下工作。作为高频整流器发展的初步步骤，本文介绍了两种新型MIM二极管Ti-过程和Ti -pt。G-V对所制作二极管的分析验证了隧穿现象。采用Brinkman-Dynes-Rowell模型提取氧化层厚度，导出值约为9 nm。Ti --Pt二极管在0.495 V时的整流比为15，超过了前人报道的整流比。

1.介绍

最近，人们正在探索电磁收集器，将其作为收集广泛的太阳光谱环境能量的可能方法之一[1]．射频能量收集是这种广泛方法的一个特例[2- - - - - -4]．这种能量可以用于低功耗的应用，如传感器的远程供电;随时随地为手机和笔记本电脑充电。天线接收到的电磁波，在高频整流器、滤波器和电压倍增器的帮助下转换成直流电压。整流器的核心是二极管。该二极管可以是肖特基二极管或金属-绝缘体-金属(MIM)隧道二极管。肖特基二极管有限制，如长反向恢复时间，因此它不能提供可靠的整流在高频率。MIM隧道二极管的工作原理是量子力学隧道效应。通常天线和整流元件集成为一个元件，称为整流天线。第一次使用“整流天线”一词来表示整流天线，这种天线的发明是为了吸收微波辐射并同时将其转换为直流电源[5]．1964年，他展示了一架微波动力直升机，在60英尺的高空盘旋了10个小时。1972年贝利提出了一个新概念，称为电磁波能量转换器(EWEC)，使用独特的金字塔太阳辐射吸收-转换器元件[6]．Hoofring等人报道了用于远红外整流天线的薄膜金属-氧化物-金属隧道二极管的制备和表征[7]．最近，南佛罗里达大学清洁能源研究中心报道了从太阳能中获取红外辐射的能源[8，9]．他们还报道了MIM隧道二极管在毫米波探测中的应用[10]．毫米波成像系统是为安全和监视目的而开发的下一代成像系统。

开发MIM二极管对未来高效整流天线的重要性是本文研究的动机。本文介绍了两种新型MIM二极管Ti-TiO的制备流程和直流特性₂过程和Ti-TiO₂pt。Brinkman-Dynes-Rowell-利用模型提取氧化层厚度，计算得到氧化层厚度约为9 nm。比较了天然氧化物和等离子氧化物器件的性能。Ti-TiO₂-Pt二极管在0.495处的整流比为15，高于早期工作中报道的整流比[11]．

2.MIM隧道二极管的制造

数字1显示天然氧化样品(左)和等离子氧化样品(右)的工艺流程。采用荫罩法沉积上电极。沉积了尺寸为200微米、100微米和50微米的正方形。两种不同的制造技术被用来形成TiO₂:天然氧化物生长和等离子体氧化。本节将详细说明这两种技术的流程流。图中显示了两个流程流的关系图1(一)和1 (b)显示了MIM隧道二极管的结构及其显微俯视图图像。

２.１.原生TiO的制造流程₂增长

一个硅片用作MIM堆栈的衬底。金属底层为钛，在150 W转发功率下射频溅射，厚度为70 nm。样品在1000级洁净室保存不超过一周，以形成天然二氧化钛。然后在基压下，将厚度为150 nm的铝热蒸发形成上电极mbar。采用电子束蒸发的方法，在基压下用铂蒸发上电极mbar。顶部电极的沉积是在荫罩的帮助下完成的，荫罩有大小为200微米、100微米和50微米的正方形。钛很容易被氧化，当暴露在空气中的氧气一段时间后，会形成天然氧化物。利用这一事实得到了钛上的天然氧化物，并对电极的选择得到了功函数差。

２.２.等离子体氧化钛的制备流程

形成二氧化钛的另一种方法是等离子体氧化，这种方法可以高度控制。钛通过电子束蒸发沉积到80 nm厚度，然后暴露在氧气等离子体中30秒。形成等离子体的转发射频功率为1500w，腔内标准氧气流量为3000sccm。应用材料刻蚀Centura用于等离子体氧化。其他配方也尝试了暴露钛的15秒和15和30秒变体与1000瓦的射频功率。唯一工作的样品是等离子体氧化，在1500w下进行30秒。氧流量保持在3000 sccm，这是维持氧等离子体的最小值。天然氧化物形成的动力学已被莫特[12- - - - - -14]和卡布雷拉和莫特[15]．阿德里亚努斯解释了等离子体氧化动力学与磁性隧道结[16]．

3.MIM的表征

MIM隧道二极管采用来自吉时利探测站4200SCS的半导体表征系统进行表征。这两种联系方式都是自上而下的。Al或Pt台面从顶部接触，Ti的底部电极通过在表面形成的薄氧化物轻微划痕接触。带有天然氧化物的MIM二极管的电流密度与电压关系图如图所示2．数字3.显示了等离子体氧化二氧化钛的MIM电流密度与电压的关系图。图中较高的电流密度3.可以用钛电极和铂电极的高功函数差和器件的小面积来解释。等离子体氧化二氧化钛的质量优于天然氧化钛，这也是电流密度更高的一个原因。

的为MIM二极管的导电性。电导率的变化率定义为．电流的二阶导数与一阶导数之比称为MIM二极管的灵敏度，．这个比值决定了二极管的非线性，从而决定了二极管的性能。电流的一阶导数决定了电导的变化率，从而决定了不对称性。数字4显示二极管在室温下测量的最大灵敏度为18直流电压0.09 V。这比15强多了Krishnan取得[11]．的MIM的原生氧化物和等离子氧化物的曲线图如图所示5和6,分别。

根据Brinkman等人的研究，电导率图()与电压将是一条抛物线[17]．抛物线曲线的不对称性是由于金属电极工作函数的不同造成的。因此，类似于二极管的正向偏置和反向偏置，如果对工作函数较低的电极施加的电压大于对工作函数较高的电极施加的电压，则MIM二极管将正向偏置。作为数据5和6结果表明，两个MIM二极管的正向偏置区电导率比反向偏置区高。两个二极管的电导率抛物线形状是不一样的，其中一个是用Pt和Ti作为电极，另一个是用Al和Ti作为电极。利用拟合抛物线系数提取介质厚度，发现天然氧化物和等离子体氧化物的厚度为9 nm。观察了天然钛和等离子体氧化物的电流密度与电压以及电导率与电压的关系图。电导率的不对称性解释了不同金属电极的功函数差异。Brinkman等(BDR fit) [17给出了金属-绝缘体-金属二极管的导电性方程为 或 在哪里；．

在(2)，为零电压下的电导率，米在TiO中电子的有效质量是多少₂，为金属的势垒高度之差，为平均势垒高度，t为绝缘体厚度，为约化普兰克常数，V应用的偏置电压，和问是电子的电荷。

抛物线系数的值，由(2)，通过拟合实验得到电压曲线呈抛物线。

用抛物线拟合的方法对实验数据进行了数学计算，得到了天然氧化物和等离子体氧化物的绝缘体厚度均为9 nm。这里需要注意的是，在二氧化钛薄膜中，电子的绝对质量被认为是电子质量的一半。对于氧化物等离子体，该二极管在0.495 V时的整流比为15，该二极管的不对称也被定义为比以前的工作报告更多。在0.33 V时，天然氧化物的整流比为6.5。整流比的曲线图如图所示7(一)和7 (b)．

从表中可以看出1，灵敏度和整流比()取决于势垒厚度和金属的功函数。根据(2)和敏感性的定义，可观察到灵敏度取决于参数一个₀，φ,φ．Krishnan等人也提到，增加功函数差将提高灵敏度[8]．其他因素是绝缘体-金属界面的特性，如陷阱密度和氧化物电荷。在目前的工作中，我们发现原生TiO₂能够提供更好的灵敏度。然而，需要更多的研究和结构检查来精确解释敏感性改善的机制。

4.结论

本文介绍了两种新型MIM隧道二极管:Ti-TiO₂-Pt采用等离子体氧化Ti，其功函数比Pt和Ti- tio少1.31 eV₂-Al采用天然氧化的Ti，其功函数比Al多0.27 eV₂显示类似的电流密度，但较高的灵敏度与较早报道的工作相比[11]．与天然氧化物形成的MIM二极管相比，Ti的等离子体氧化导致更高的电流密度。抛物线导电性曲线证实了隧穿现象。这个抛物线用于估计势垒厚度，这两个二极管的势垒厚度约为9纳米。等离子体氧化可以得到超薄的氧化物，从而获得高电流密度。钛和铂由于其高的功函数差是MIM隧道二极管的理想选择。尽管厚度相同，但Pt的功函数比Al高，这可以解释等离子体氧化物的高电流密度。

承认

印度理工学院孟买分校国家光伏研究和教育中心的财政支持，由MNRE资助，印度政府对此表示感谢。

参考文献

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