超薄玻璃衬底上高质量ZnO缓冲层与GaN薄膜的低温生长

发布时间：2020-06-26 17:37

【摘要】：柔性器件因其诸多优点和广阔的应用,已引起研究者们的广泛兴趣。研发柔性器件成为国际前沿课题。采用光电性能出色的GaN为p-n结材料、低成本大面积的超薄玻璃为柔性衬底,并开发出低温生长技术,将有助于研制大屏幕的柔性无机发光显示器件。由于玻璃是非晶态的,这使得其上生长的GaN薄膜结晶质量很差,出现表面粗糙、多晶结构等情形。考虑到ZnO与GaN具有相同的六方纤锌矿晶体结构和较小的晶格失配(2%),采用ZnO为缓冲层在非晶玻璃上生长GaN薄膜。而玻璃低的软化温度又对生长技术提出了挑战,需要开发低温生长技术。利用脉冲激光沉积法对靶材的脉冲式供给,可提高薄膜前驱体在衬底上的表面迁移率,从而降低生长温度。本论文以超薄玻璃为衬底,引入ZnO作为缓冲层,利用脉冲激光沉积法,探索GaN薄膜的低温生长技术。主要研究成果如下:1、采用脉冲激光沉积法,在超薄玻璃衬底上制备出具有c轴高度生长取向的ZnO缓冲层。通过控制变量法,分别研究了激光能量、衬底温度、激光频率、氧气压强对ZnO薄膜微观结构、表面形貌、内部缺陷、光学性质和电学性质的影响,探究其中的物理机制,建立结构与物性之间的对应关系。结果表明,通过优化生长条件,获得的ZnO薄膜具有六方纤锌矿结构,沿c轴高度取向生长,膜面光滑平整、均匀致密,结晶质量良好,内部的氧空位等缺陷较少,载流子浓度与ZnO块体相比高出2个数量级,在300~1200 nm波段的平均透过率可达90%以上。2、在制得高质量ZnO缓冲层的基础上,进一步低温生长GaN薄膜。首先将沉积了GaN的样品与ZnO缓冲层和ZnON层相比较,从外观颜色、衍射峰位、断面分层和化学成分四个方面进行分析,最终确定了在ZnO缓冲层/玻璃衬底上形成的是GaN薄膜。随后,研究了不同氮气压强下的后退火处理、离子活化源辅助生长、不同氮气压强生长对GaN薄膜晶体结构和表面形貌的影响。结果表明,当退火的氮气压强为30 Pa时,薄膜的结晶质量较好,内应力最小,且薄膜表面颗粒均匀、致密。通过比较离子活化源辅助溅射和传统氮气气氛辅助溅射两种方法,发现传统氮气气氛辅助法制备的GaN薄膜更接近化学计量比。而对于不同氮气压强下生长的GaN薄膜(10~30 Pa N_2),20 Pa氮气压强下生长的样品晶粒尺寸较大,薄膜内应力较小,N/Ga比最接近于化学计量比,且GaN与ZnO明显分层,没有出现显著的原子扩散现象。本论文的研究工作可为进一步在超薄玻璃衬底上制备GaN基p-n结提供实验参考,从而为柔性非晶衬底上大面积无机发光显示器件的研制与低成本生产提供科学依据与技术支持。
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

柔性,器件

主义进入新时代，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。人们对美好生活的需求促使科技发展，柔性器件因其便携性、形状可变性、人体适应性等诸多优点，广泛应用于柔性阅读器、柔性太阳能电池、可穿戴柔性传感器等多个方面和领域，如图 1-1。柔性器件的研发，引起了研究者的广泛兴趣，已成为国际前沿课题，其中最关键的问题是柔性衬底的选择和 p-n 结的制备。近年来，宽禁带半导体化合物以其出色的光学和电学性能，成为新兴半导体光电产业的核心材料。尤其是氮化镓（GaN）材料因其具有禁带宽度大、击穿电场高、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，在发光二极管（LED）、紫外光电探测器、高频和高功率电子器件等方面得到了广泛应用。其中 GaN 基 LED已被公认为是能够取代白炽灯的高效光源。制备 GaN 基 LED 的关键是生长高质量的 GaN 薄膜，目前 GaN 薄膜的生长技术主要有分子束外延（MBE）[1]、金属有机化学气相沉积（MOCVD）[2]和氢化物气相外延（HVPE）[3]等。而且大多数GaN 薄膜都是在价格昂贵的单晶衬底如蓝宝石[5]、SiC[1]上制备的，有限的衬底尺寸和高昂的成本使得 GaN 基 LED 仍然局限于小型器件。

表面形貌,缓冲层,石墨,表面形貌

GaN 薄膜的 SEM 表面形貌图：(a) 没有石墨烯缓冲层；(b) 有石墨烯缓，为获得高质量的 GaN 薄膜，在 GaN 薄膜与非晶态玻璃之间缓冲层是实验中切实可行的方法。众所周知，ZnO 具有三种基状态下稳定相结构是六方纤锌矿结构，这与 GaN 的晶体结构示。ZnO 的晶格常数 c=0.521 nm，GaN 的晶格常数 c=0.519 nm率仅为 0.2%。ZnO 和 GaN 均为直接带隙材料，室温下，ZnOV，GaN 禁带宽度为 3.39 eV，二者能级相匹配。

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