Characterization of Vanadium Oxide Thin Films Grown by Magnetron Sputtering Technique

Abstract

Vanadium dioxide (VO2) exhibits metal insulator transition (MIT) at around 70 °C. VO2 shows insulator phase at low temperature whereas above the transition temperature VO2 shows metallic phase. The resistivity of this material abruptly changes by a factor of 104 at MIT temperature. There are some factors which induce MIT in VO2 structure such as electric field, the change in temperature or doping. Due to these properties, VO2 is an interesting candidate for exploring potential applications in high speed electronic devices. VO2 plays an important role for field effect transistor (FET) applications. VO2 with its peculiar properties is a good candidate for channel material in FET. Electric field triggered MIT is a desired feature for FET applications. In this work, VO2 thin films have been deposited on c-cut sapphire [Al2O3(0001)] substrate by using DC magnetron sputtering technique. In order to obtain the homogeneous VO2 thin film, the growth process was carried out at various oxygen flow rates with different deposition time. To obtain single VO2 phase, optimum oxygen rate was investigated with various analysis techniques such as Raman, X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and optical-electrical measurements. At the same time, the temperature dependences of optical-electrical properties of these films were analyzed. Then, the metal insulator transition was observed with the change in resistivity by a factor of 104 which is the highest value among grown VO2 films by sputtering technique in the literature. For FET applications, the grown VO2 thin film which indicates the highest change in resistivity at transition temperature was patterned by electron beam lithography in order to create FET channel schema. After electron beam lithography process, the electrical properties of the VO2 strips with various widths were analyzed. The effects of the widths of the VO2 strips on their electrical properties were investigated.

Vanadyum dioksit (VO2) yaklaşık olarak 70 °C’de metal-yalıtkan geçiş özelliği göstermektedir. VO2 düşük sıcaklıklarda yalıtkan fazda bulunurken, geçiş sıcaklığına göre yüksek sıcaklıklarda metalik fazda bulunur. Geçiş sıcaklığında, VO2’nin özdirenci ani bir şekilde 104 oranında değişim gösterir ve bu özelliğinden dolayı hızlı elektronik cihazlarda kullanılma potansiyeli oldukça yüksektir. VO2 alan etkili transistör uygulamalarında önemli bir rol oynamaktadır. VO2 gösterdiği elektriksel özellikler sebebiyle alan etkili transistörlerde kanal görevi görmektedir. VO2 malzemesinin elektrik alan altında değişen elektriksel özellikleri, VO2’yi alan etkili transistörlerde kanal malzemesi olarak kullanılmasını mümkün kılmaktadır. Bu çalışmada DC mıknatıssal saçtırma tekniği kullanarak, VO2 c-düzlem safir [Al2O3(0001)] alttaş üzerine büyütülmüştür. Büyütülen ince filmlerde homojen VO2 yapısı elde edebilmek için, VO2 büyütme parametreleri farklı oksijen akış oranlarında ve farklı biriktirme sürelerinde değişiklik göstermektedir. Tek fazda VO2 elde edebilmek için, Raman, X ışınları saçılımı (XRD) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) gibi çeşitli analiz teknikleri kullanılmış olup, optiksel-elektriksel analiz sonuçlarına göre en uygun oksijen oranı araştırılmıştır. Aynı zamanda, VO2 ince filmlerin optiksel-elektriksel özellikleri sıcaklığa bağlı olarak ayrıca analiz edilmiştir. Geçiş sıcaklığında 104 oranında değişen bir özdirenç değeriyle, literatürdeki mıknatıssal saçtırma yöntemi ile elde edilen en iyi sonuçtur. Büyütülen vanadyum oksit ince filmleri arasında metal-yalıtkan geçiş sıcaklığında en yüksek özdirenç değişimi gösteren VO2 ince film, alan etkili transistor uygulamaları açısından kanal görevi görecek olması sebebiyle, elektron demeti litografisiyle kanal şekli verilerek şekillendirilmiştir. Elektron demeti litografi süreci sonrasında, farklı genişliklerdeki VO2 şeritlerinin elektriksel özellikleri incelenmiş olup, VO2 şeritlerinin genişliğinin elektriksel özelliği üzerindeki etkileri tartışılmıştır.