Al/CuO复合薄膜的制备和电阻特性表征(8)
3.2 Al/CuO复合薄膜电阻特性及肖特基效应分析
通过上面小节测量的单层Al薄膜和CuO薄膜的电阻，然后对单层Al薄膜和CuO薄膜之间进行电阻测量，可以发现，在任意相邻Al薄膜和CuO薄膜之间的电阻都在KΩ级别以上，且随着CuO薄膜厚度的增加而电阻值增加。在以往Al/CuO复合薄膜点火桥的电爆试验中，发现只有当外界激励电压超过一定电压时Al/CuO复合薄膜才能发现电爆现象，产生极高温度，而在低于一定电压时，只发现电热现象，不能激发Al薄膜和CuO薄膜之间的化学反应，说明Al/CuO复合薄膜存在一定发火电压阈值。由此可以分析，由于CuO薄膜具有半导体的性质，在Al薄膜和CuO薄膜的接触面存在肖特基势垒，形成了面接触肖特基结，从电爆需要一定激励电压和Al薄膜和CuO薄膜之间存在高电阻可以得以证明。
肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接触，就如同二极管具有整流特性。是金属-半导体边界上形成的具有整流作用的区域。早在1874年，Braun就发现了金属与半导体接触之间导电性能的非对称性，揭开了人们对金属和半导体接触研究的序幕。1938年，肖特基(Schottky)首先指出，由于金属与半导体之间存在稳定、均匀分布的空间电荷层而形成势垒，即肖特基势垒。金属—半导体（MS）接触之所以能形成势垒，根本原因是它们有着不同的功函数，功函数的大小反映着电子被物体束缚的强弱。金属的功函数定义为将金属中处于费米能级的电子拉到体外静止状态(真空能级)所需要的能量，一般用WM表示；半导体的功函数也定义为费米能级与真空能级之间的能量差，以WS表示。对于金属和n型半导体形成的理想MS接触，如果WM＞WS，表现为整流接触，对于金属和p型半导体形成的理想的接触，如果WM＜WS，表现为整流接触。实际的MS接触之间总有一个薄的绝缘层，如半导体表面的氧化层，如果绝缘层很薄(2nm左右)，电子以隧道效应穿过它是很容易的，可视为金属与半导体直接接触。金属Al的功函数WAl＝4.18eV, p型半导体CuO的功函数WCuO＝5.3 eV, Al的功函数小于p型半导体CuO的功函数，因此，在高真空、且基片和靶材水冷条件下制备的Al/CuO复合薄膜，其每一个Al和CuO接触面都将存在肖特基势垒，形成了面接触肖特基结，在势垒两端施加反向偏压时存在反向击穿电压。又因为Al/CuO复合薄膜是多层Al膜和CuO膜叠加而成，每个调制周期都会形成肖特基结，可以认为复合薄膜两端始终加载的是反向偏压，只有当外界电压超过Al/CuO复合薄膜的反向击穿电压时，Al/CuO复合薄膜才能有大电流通过。其原理如图3.5示。
MS-肖特基结，Rs-Al电阻，Rs’-CuO电阻，Rd-结电阻，Cj-结电容
图3.5 Al/CuO复合薄膜肖特基结及其等效电路示意图
Al/CuO复合薄膜的肖特基结构和具有爆发阈值的特性，使得Al/CuO复合薄膜在化学电爆过程中具有了非线性特性，当加载低于爆发阈值的电压时，不会引起薄膜的电爆反应，而一旦电压超过爆发阈值，薄膜会激烈迅速的发生反应，输出能量。非线性电爆示意图如图3.6所示。
图3.6 非线性电爆换能示意图
3.3 Al/CuO复合薄膜击穿电压测定
肖特基势垒的基本原理是由于半导体的逸出功一般比金属的小，故当金属与半导体接触时，电子就从半导体流入金属，在半导体表面层形成一个由带正电不可移动的杂质离子组成的空间电荷区，在此区中存在一个由半导体指向金属的电场，犹如筑起一座高墙，阻止半导体中的电子继续流入金属。电子必须高于这一势垒的能量才能越过势垒流入金属。因此，肖特基结构的Al/CuO复合薄膜存在激励能量阈值，当电激励能量低于爆发能量阈值时，只有微弱的漏电流通过，产生的焦耳热会被基片吸收或被薄膜表面辐射，复合薄膜输出能量较小；当复合薄膜实现电击穿即激发能量高于爆发阈值时，有大电流通过薄膜产生焦耳热，同时激发Al膜和CuO膜之间的氧化还原反应，释放出化学反应热，实现输出能量倍增。
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