【摘要】：柔性器件因其諸多優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用,已引起研究者們的廣泛興趣。研發(fā)柔性器件成為國(guó)際前沿課題。采用光電性能出色的GaN為p-n結(jié)材料、低成本大面積的超薄玻璃為柔性襯底,并開發(fā)出低溫生長(zhǎng)技術(shù),將有助于研制大屏幕的柔性無機(jī)發(fā)光顯示器件。由于玻璃是非晶態(tài)的,這使得其上生長(zhǎng)的GaN薄膜結(jié)晶質(zhì)量很差,出現(xiàn)表面粗糙、多晶結(jié)構(gòu)等情形�？紤]到ZnO與GaN具有相同的六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)和較小的晶格失配(2%),采用ZnO為緩沖層在非晶玻璃上生長(zhǎng)GaN薄膜。而玻璃低的軟化溫度又對(duì)生長(zhǎng)技術(shù)提出了挑戰(zhàn),需要開發(fā)低溫生長(zhǎng)技術(shù)。利用脈沖激光沉積法對(duì)靶材的脈沖式供給,可提高薄膜前驅(qū)體在襯底上的表面遷移率,從而降低生長(zhǎng)溫度。本論文以超薄玻璃為襯底,引入ZnO作為緩沖層,利用脈沖激光沉積法,探索GaN薄膜的低溫生長(zhǎng)技術(shù)。主要研究成果如下:1、采用脈沖激光沉積法,在超薄玻璃襯底上制備出具有c軸高度生長(zhǎng)取向的ZnO緩沖層。通過控制變量法,分別研究了激光能量、襯底溫度、激光頻率、氧氣壓強(qiáng)對(duì)ZnO薄膜微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌、內(nèi)部缺陷、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)的影響,探究其中的物理機(jī)制,建立結(jié)構(gòu)與物性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明,通過優(yōu)化生長(zhǎng)條件,獲得的ZnO薄膜具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),沿c軸高度取向生長(zhǎng),膜面光滑平整、均勻致密,結(jié)晶質(zhì)量良好,內(nèi)部的氧空位等缺陷較少,載流子濃度與ZnO塊體相比高出2個(gè)數(shù)量級(jí),在300~1200 nm波段的平均透過率可達(dá)90%以上。2、在制得高質(zhì)量ZnO緩沖層的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步低溫生長(zhǎng)GaN薄膜。首先將沉積了GaN的樣品與ZnO緩沖層和ZnON層相比較,從外觀顏色、衍射峰位、斷面分層和化學(xué)成分四個(gè)方面進(jìn)行分析,最終確定了在ZnO緩沖層/玻璃襯底上形成的是GaN薄膜。隨后,研究了不同氮?dú)鈮簭?qiáng)下的后退火處理、離子活化源輔助生長(zhǎng)、不同氮?dú)鈮簭?qiáng)生長(zhǎng)對(duì)GaN薄膜晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響。結(jié)果表明,當(dāng)退火的氮?dú)鈮簭?qiáng)為30 Pa時(shí),薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較好,內(nèi)應(yīng)力最小,且薄膜表面顆粒均勻、致密。通過比較離子活化源輔助濺射和傳統(tǒng)氮?dú)鈿夥蛰o助濺射兩種方法,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)氮?dú)鈿夥蛰o助法制備的GaN薄膜更接近化學(xué)計(jì)量比。而對(duì)于不同氮?dú)鈮簭?qiáng)下生長(zhǎng)的GaN薄膜(10~30 Pa N_2),20 Pa氮?dú)鈮簭?qiáng)下生長(zhǎng)的樣品晶粒尺寸較大,薄膜內(nèi)應(yīng)力較小,N/Ga比最接近于化學(xué)計(jì)量比,且GaN與ZnO明顯分層,沒有出現(xiàn)顯著的原子擴(kuò)散現(xiàn)象。本論文的研究工作可為進(jìn)一步在超薄玻璃襯底上制備GaN基p-n結(jié)提供實(shí)驗(yàn)參考,從而為柔性非晶襯底上大面積無機(jī)發(fā)光顯示器件的研制與低成本生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支持。
【學(xué)位授予單位】：上海師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.2
【圖文】：

主義進(jìn)入新時(shí)代，我國(guó)社會(huì)主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。人們對(duì)美好生活的需求促使科技發(fā)展，柔性器件因其便攜性、形狀可變性、人體適應(yīng)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性閱讀器、柔性太陽(yáng)能電池、可穿戴柔性傳感器等多個(gè)方面和領(lǐng)域，如圖 1-1。柔性器件的研發(fā)，引起了研究者的廣泛興趣，已成為國(guó)際前沿課題，其中最關(guān)鍵的問題是柔性襯底的選擇和 p-n 結(jié)的制備。近年來，寬禁帶半導(dǎo)體化合物以其出色的光學(xué)和電學(xué)性能，成為新興半導(dǎo)體光電產(chǎn)業(yè)的核心材料。尤其是氮化鎵（GaN）材料因其具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、抗輻射能力強(qiáng)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在發(fā)光二極管（LED）、紫外光電探測(cè)器、高頻和高功率電子器件等方面得到了廣泛應(yīng)用。其中 GaN 基 LED已被公認(rèn)為是能夠取代白熾燈的高效光源。制備 GaN 基 LED 的關(guān)鍵是生長(zhǎng)高質(zhì)量的 GaN 薄膜，目前 GaN 薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)主要有分子束外延（MBE）[1]、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）[2]和氫化物氣相外延（HVPE）[3]等。而且大多數(shù)GaN 薄膜都是在價(jià)格昂貴的單晶襯底如藍(lán)寶石[5]、SiC[1]上制備的，有限的襯底尺寸和高昂的成本使得 GaN 基 LED 仍然局限于小型器件。

GaN 薄膜的 SEM 表面形貌圖：(a) 沒有石墨烯緩沖層；(b) 有石墨烯緩，為獲得高質(zhì)量的 GaN 薄膜，在 GaN 薄膜與非晶態(tài)玻璃之間緩沖層是實(shí)驗(yàn)中切實(shí)可行的方法。眾所周知，ZnO 具有三種基狀態(tài)下穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，這與 GaN 的晶體結(jié)構(gòu)示。ZnO 的晶格常數(shù) c=0.521 nm，GaN 的晶格常數(shù) c=0.519 nm率僅為 0.2%。ZnO 和 GaN 均為直接帶隙材料，室溫下，ZnOV，GaN 禁帶寬度為 3.39 eV，二者能級(jí)相匹配。

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本文編號(hào)：2730666