聚酰亚胺衬底上低温生长GaN薄膜研究

发布时间：2020-06-10 20:40

【摘要】：氮化镓(GaN)是一种具有直接带隙结构的Ⅲ族氮化物半导体,有较宽的禁带宽度(Eg=3.39 eV)、良好的热稳定性以及较高的电子迁移率等特性,是制备半导体光电器件(如发光二极管、半导体激光器、光电探测器)与大功率高频电子器件的理想材料。另外,使用GaN与氮化铟(InN)的合金InGaN可以制成高效率太阳能电池等器件。沉积GaN薄膜时,所用衬底的选择一直是研究者们首要关注的问题。目前,一般使用蓝宝石(α-Al_2O_3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)等材料做为衬底。但α-Al_2O_3衬底不导电,散热性能不好,难以直接制备垂直结构的大功率器件,而虽然SiC衬底导电,但价格昂贵。而且,这些衬底都为硬质衬底,不能满足人们对柔性电子器件的需求。因此本实验考虑在聚酰亚胺(Poly imide,PI)等柔性衬底上生长GaN薄膜,并研究GaN的低温生长规律PI是一类高分子聚合物,其特征在于其主链上含有亚胺环结构。PI一般由采用含二胺和二酐的单体分子发生缩聚反应,再经过脱水反应制备而成。由于PI分子含有的芳杂环结构非常稳定,使得它有很高的玻璃化转化温度(Tg),热稳定性非常好。如果被用做Ga N薄膜的衬底,实验所采用的温度有很大的调节范围。本实验使用的PI由均苯四甲酸酐(PMDA)与4,4一二氨基二苯醚(ODA)缩聚而成。其Tg约为300℃~400℃,热分解温度可达500~600℃。另外,此种类型的聚酰亚胺(PMDA-ODA)力学性能优良,热膨胀系数相对较低。在PI衬底上生长GaN具有成本低廉的优点。另外因PI的柔性特点,可将在PI上生长的GaN薄膜应用于可折叠太阳能电池、可弯曲屏幕等应用领域。另外,可以在PI衬底上涂覆一层AgNWs(sliver nanowires,AgNWs)以做GaN器件的柔性电极。Ag是价格相对低廉的贵金属材料,且具有极高的导电、导热性。以前有研究者做过在Ag上生长GaN薄膜的讨论,生长结果较好。使用涂覆有AgNWs的PI衬底(下文简记为AgNWs/PI)一方面有利于方便的制备垂直结构的柔性GaN器件。另一方面,AgNWs结构可以引导GaN呈纳米线形态生长,从而制备出GaN纳米线。本文在柔性衬底PI以及AgNWs/PI上采用电子回旋共振-等离子体增强金属有机化学气相沉积方法(ECR-PEMOCVD)低温制备出具有高度c轴择优取向的GaN薄膜。并研究了不同TMGa流量及不同生长温度对的GaN薄膜的晶体结构、表面形貌,光学性能的影响。在柔性PI衬底上,RHEED、XRD和AFM测试结果显示:GaN生长层的适宜生长条件为:TMGa流量为0.9sccm;温度为250℃。在此条件下生长的GaN薄膜平均晶粒尺寸约为42.1nm,表面均方根粗糙度RMS为2.31nm;在柔性AgNWs/PI衬底上,可生长出纳米线结构的GaN。RHEED、XRD和AFM测试结果显示:在300℃时GaN薄膜的晶体质量最好,平均晶粒尺寸为25.5nm,RMS为4.64nm。
【图文】：

生长层,流量,衍射峰

Ga 流量下 GaN 生长层的 XRD 分析不同 TMGa 流量下 GaN 生长层的 XRD 图。很明显在 3，，图 3.2 中依次出现了 2θ 衍射角为 34.341°、34.383°和些衍射峰为六方纤锌矿 GaN（002）晶面的衍射峰，表明优取向生长的。由图 3.2 可知，当 TMGa 流量为 0.9sc衍射峰最强。为了更精细地比较不同 TMGa 流量对 GaN，本文对 XRD 图像的其他信息进行了比较分析，如表 3

XRD曲线,生长层,晶粒尺寸

- 28 -图 3.4 不同温度下 GaN 生长层的 XRD 曲线Fig 3.4 XRD curves of GaN growth layer at different temperature表 3.2 不同温度下 GaN 生长层的 XRD 分析Tab. 3.2 Analysis of GaN growth layer at different temperature2θ(°) 晶粒尺寸(nm) FWHM(°) C(nm) 34.383 39.7 0.212 0.5212 34.341 42.1 0.200 0.5212 34.420 41.7 0.202 0.5216
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】