自支撑AlN薄膜的制备及其性质研究

摘要

近年来可穿戴健康设备的出现和普及，不仅对于半导体器件的面积、功耗、可靠性等参数提出了越来越高要求，而且对于传感器的功能性也提出了越来越丰富的需求。Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料AlN禁带宽度高达6.2 eV，对应波长为200nm的深紫外，同时还具有较高的压电系数、无机物中最高的声表面波速、良好的导热率和化学稳定性等特性，有望用于紫外线探测器、压电探测器、和声表面波器件等柔性电子器件的制备。柔性电子器件的制备必须基于柔性半导体材料，而柔性半导体材料的获得主要通过两种方式：一种是直接在柔性衬底上外延生长半导体材料，另一种则是先在刚性衬底上生长，再通过衬底剥离技术获得自支撑的薄膜，最终转移到柔性衬底上。这种通过剥离和转移获得柔性材料的方式，由于不需要考虑薄膜与衬底间晶格失配的问题，而受到了更多专家学者的青睐。因此，本论文针对上述需求，以获得自支撑的AlN薄膜为目标，探索其制备方法及其性质和应用。
　　本研究主要内容包括：⑴选择晶格失配度较低的MgO衬底，在不同衬底温度、不同激光能量密度和不同腔体气压的条件下分别外延了AlN薄膜，通过XRD测试分析比较了薄膜的结晶取向和质量，最终确定了脉冲激光沉积法制备 AlN薄膜的最佳条件。之后，根据这一条件在不同的衬底上生长了AlN薄膜，经过对比发现：相较于Al2O3和Si衬底，ZnO和MgO上的AlN具有较高的结晶质量和表面平整度。因此提出了用脉冲激光沉积在Al2O3衬底上先淀积一层MgO或ZnO作为缓冲层，再外延生长AlN薄膜的方式。通过XRD和AFM测试表征发现：MgO缓冲层上的AlN薄膜具有最优的结晶质量，而ZnO缓冲层上的AlN薄膜具有最平整的表面。⑵对薄膜进行了XPS分析，结果显示除表面含有微量O杂质外，Al和N的比例为1:0.99，在正常的范围内。通过椭偏仪测试拟合了多层复合结构 AlN的折射率和禁带宽度，其光学性质与块材基本相同，且光学禁带宽度高达6.1eV，接近本征值。SEM扫描结果从电学性质方面显示出：制备的AlN薄膜表面均匀，一致性较好，而截面SEM结果也为计算脉冲激光沉积法制备MgO、ZnO和AlN薄膜的生长速率提供了依据。最后通过TEM结果再次印证了脉冲激光沉积法制备AlN的过程中，薄膜的结晶基本都遵循着特定的取向。⑶将自支撑的 AlN薄膜转移光学石英玻璃上，经分光光度计测试显示其在在可见光波段具有良好的透过率，仅在紫外波段出现陡峭的吸收边，且其光学禁带宽度同样很接近本征值。而转移到导电衬底上的AlN薄膜，其PFM测试结果显示出了明显的压电效应，经计算其压电系数d33高于其它外延AlN薄膜的报道结果。而相比于平面结构传统的紫外光电探测器，通过转移自支撑 AlN薄膜制备的垂直结构的测器，同样在193nm波长光的照射下，出现高出两个数量级的光电流，且其斜率更为陡峭，说明它对紫外线具有更高的灵敏度。⑷通过脉冲激光沉积和化学腐蚀获得的自支撑AlN薄膜，具备有优异的性质，为柔性可穿戴紫外线探测器、高性能声表面波器件提供了有力的材料支持。

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插图索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1柔性电子器件

1.2 Si基柔性电子器件

1.3Ⅲ-Ⅴ族第三代半导体材料

1.4 AlN薄膜与器件应用

1.5自支撑AlN薄膜的研究进展

1.6本文研究的主要内容

第二章 AlN薄膜的生长及表征

2.1 AlN薄膜的制备

2.2 PLD原理和结构介绍

2.3 AlN薄膜的表征

2.4本章小结

第三章 PLD条件对生长AlN薄膜的影响

3.1不同条件对AlN薄膜的影响

3.2衬底和缓冲层对于AlN薄膜的影响

3.3缓冲层上AlN薄膜的其它表征结果

3.4本章小结

第四章 自支撑AlN薄膜的制备及性能

4.1自支撑AlN薄膜的制备

4.2自支撑AlN薄膜的光学性质

4.3自支撑AlN薄膜的光电性

4.4自支撑AlN薄膜的压电性质

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

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