基于原子层沉积的光电薄膜工艺与器件研究

发布时间：2019-01-04 17:35

【摘要】：原子层沉积(ALD)技术在光电器件中有广泛的应用,沉积的薄膜具有均匀性好,致密性高,台阶覆盖优异等特点。有机电致发光(OLED)是新型显示和照明器件,向着更薄,柔性,大尺寸方向发展。由于OLED器件所用有机材料极易与水、氧发生反应,导致器件失效,所以对器件的封装要求很高。OLED薄膜封装成为目前研究热点和难点之一,在有机无机复合薄膜水汽阻挡效果提升,器件寿命的提升方面还有很多问题。本文在对薄膜封装技术发展进行了充分调研的基础上,系统开展基于原子层沉积技术(ALD)的OLED薄膜封装工艺研究,同时,研究了ALD沉积薄膜在氧化物薄膜晶体管中的应用,主要研究成果和创新如下:(一)系统进行了ALD薄膜生长工艺的优化研究,获得低温Al2O3、Zr O2、Alucone多种单层薄膜ALD的最佳工艺条件。设计新型Zircone封装薄膜材料并研究其工艺及性能。同时,研究了基于钙电学法的水汽透过率测试设备。分析了在85℃低温下的生长工艺条件对薄膜性能的影响,从前驱体脉冲时间,吹扫时间等工艺条件,对Al2O3,Zr O2、Alucone(有机铝)、Zircone(有机锆)薄膜的工艺条件进行优化。以三甲基铝(TMA)和H2O为前驱体制备的Al2O3薄膜:沉积速率为1?/cycle,表面粗糙度为0.46 nm,对550 nm波长光透过率为99.2%,薄膜厚度不均匀性为1.89%,200 nm的Al2O3薄膜的水汽透过率为1.55×10-4g/m2/day。利用四(二甲基氨)基锆(TDMAZ)和H2O为前驱体制备了Zr O2薄膜:沉积速率为1.22?/cycle,薄膜的表面粗糙度为0.712 nm,对550 nm波长光透过率为88%,薄膜厚度不均匀性为1.95%,200 nm的Zr O2薄膜的水汽透过率为4.85×10-4g/m2/day。采用TMA与乙二醇(EG)为前驱体制备了Alucone薄膜:积速率为1.33?/cycle,表面粗糙度为0.61 nm,水汽透过率1.15 g/m2/day。利用TDMAZ与EG反应,设计并制备了一种新的有机薄膜材料Zircone:傅里叶红外光谱分析结果显示材料中具有CH2,C-C,C-O,Zr-O几种化学基团,薄膜的积速率为1.49?/cycle,水汽透过率1.19 g/m2/day,表面粗糙度为0.71 nm。(二)设计并研究了有机无机复合薄膜及其封装性能,并对结构进行了优化,获得了低的水汽透过率,对OLED器件的封装实验研究结果表明,该薄膜可大幅提高OLED器件寿命。在对单层薄膜性能研究结构的基础上,设计制备了基于Al2O3/Zr O2/Alucone材料体系的不同结构的封装薄膜。温度25℃,相对湿度为65%条件下三叠层Al2O3/Zr O2/Alucone薄膜的水汽透过率达到了8.5×10-5g/m2/day,OLED半亮度寿命达到了3500小时(150 cd/m2条件),通过对不同结构性能的对比分析了有机材料在复合薄膜中的主要作用是增加了有效扩散路径,从而增加了水汽透过复合薄膜的时间。同时,结合Al2O3与Zr O2界面形成的一种致密程度高的Zr Al x O y铝酸盐结构优化了器件结构。优化后的多层复合结构的水汽透过率达到4.76×10-5g/m2/day,在OLED薄膜封装上具有非常好的应用前景。(三)设计并研究了Zr O2/Zircone分布式布拉格谐振腔(DBR)结构复合薄膜,结果表明该薄膜在有效提高OLED器件光取出的同时,兼具一定的水汽阻挡效果,在柔性基板上制备可实现提高光取出与水汽阻挡双重效果的集成。利用Zr O2/Zircone薄膜的折射率差,设计并制备了DBR结构,基于这种DBR结构制备了绿光OLED器件性,器件的半波宽从72 nm窄化到12 nm,提高了器件发光纯度,具有2对DBR结构的器件,电流效率和功率效率达到了59 cd/?和66.4 lm/W,比没有DBR结构的OLED器件分别提高40%和60%,具有4对Zr O2/Zircone结构的器件虽然电流效率和功率效率不是最高,但是其外量子效率达到16.1%,与没有DBR结构的器件对比,外量子效率提高了51%。对DBR薄膜进行了水汽透过率研究,在25℃相对湿度65%的条件下,Zr O2/Zircone薄膜的水汽透过率分别为1.7×10-3,6.1×10-4,4.5×10-4g/m2/day,说明这种DBR薄膜具有一定的水汽阻挡效果,对于柔性基板制备,可以完成封装与提高光取出的集成。(四)ALD技术制备了Zr O2-Al2O3复合纳米层并应用于TFT的绝缘层,研究发现这种复合绝缘层可以结合各单层薄膜的优点,不但漏电属性有了很大的提高,器件的性能也有了很大的提高,尤其表现在稳定性上。采用Zr O2-Al2O3复合绝缘层不但有利于提高电容耦合能力,还有利于提高器件的稳定性。同时也有利于抑制单一材料一旦产生缺陷就会沿该方向不断生成的缺陷。器件的开关比大于107,具有高的开态电流,低的关态电流。阈值电压仅为0.15 V,迁移率高达14.3 cm2/Vs,另外,采用temperature-stress方法来定量的表征器件有源层带内能态密度。揭示影响器件稳定性的内在机理,较小的态密度使得器件更加稳定。
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【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2

【参考文献】