超薄玻璃衬底上高质量ZnO缓冲层与GaN薄膜的低温生长

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 N2），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。

目录

第一章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2 关键问题及解决方案

1.3 本论文主要研究内容

第二章 样品的制备和性能表征

2.1 实验内容

2.2 表征方法

第三章 ZnO缓冲层的脉冲激光沉积法生长与结构性能表征

3.1 激光能量对ZnO薄膜结构与性能的影响

3.2 衬底温度对ZnO薄膜结构与性能的影响

3.3 激光频率对ZnO薄膜结构与性能的影响

3.4 氧气压强对ZnO薄膜结构与性能的影响

3.5 小结

第四章 GaN薄膜的脉冲激光沉积法低温生长与结构表征

4.1 GaN薄膜的低温生长

4.2 退火条件对GaN薄膜结构的影响

4.3 离子活化源辅助生长的作用

4.4 氮气压强对GaN薄膜结构的影响

4.5 小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 下一步工作

参考文献

攻读硕士学位期间已发表和撰写的论文目录

致谢