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      柔性襯底材料的研究

      作者: 東莞市美鑫絕緣材料有限公司 日期: 2020-11-09 人氣: - 評論: 0

        近年來,基于柔性襯底的柔性電子學研究在全球范圍內受到越來越廣泛的關注,美國《科學》雜志將有機電子技術進展列為2000年世界十大科技成果之一,與人類基因組草圖、生物克隆技術等重大發現并列。柔性電子器件主要包括柔性傳感、柔性醫療以及柔性顯示等,因其獨特的延展性、便攜性及高效、低廉的制造工藝,在日常生活、醫療、軍事、能源和計算機等領域具有廣泛的應用前景。在柔性襯底的選擇上,聚甲基苯烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯對苯二甲酯(PET)、聚碳酸酯(PC)等均可用于光學器件的制備,但是耐溫性能的不足限制了其在微電子以及光電子等領域的應用。為了解決這一問題,科研人員開始嘗試新的可替代襯底材料。其中,KAPTON作為一種極好的耐高溫柔性材料,具備優良的力學、介電、耐輻射和耐溶劑等性能,因此成為目前柔性襯底材料的首選。截止目前,科研人員已經成功在KAPTON襯底上生長了一些化合物半導體薄膜,為之后制作柔性光電子器件鋪平了道路。

        在這些半導體材料中,GaN 具有禁帶寬度大、擊穿電場高、電子飽和漂移速度高,以及介電常數小等特性,在光顯示、光存儲等光電領域具有廣泛的應用前景和研究價值。此外,GaN憑借其優異的抗輻射能力和良好的熱穩定性,在高頻高功率光電器件領域有著重要的應用,與SiC、ZnO等材料共同被譽為第三代半導體材料。雖然GaN具有優良的電學和光學特性,但是由于GaN薄膜外延層的沉積溫度高,不能與柔性器件的低溫要求相匹配,因此該材料的研究和應用絕大部分都是基于傳統的剛性襯底。

        為了研制柔性氮化物光電器件,首先需要把氮化物薄膜與柔性襯底結合在一起。然而柔性襯底難以承受氮化物制備時的高溫(大于800℃),為了解決這一問題,大部分研究人員選擇將藍寶石、Si表面外延生長的氮化物進行剝離并轉移至柔性襯底。然而,不論是Si表面的化學腐蝕剝離,亦或是基于藍寶石的激光剝離[5]都會降低器件的成品率,大大增加器件的商業化成本。因此,尋找一種有效的、符合柔性器件制作要求的薄膜生長技術非常重要。等離子增強原子層沉積(PE-ALD)技術以其獨有的低溫生長模式,在眾多方法中脫穎而出。PEALD本質上是一種特殊的化學氣相沉積(CVD)方法,該方法通過將氣相前驅體交替地通入反應室并在沉積基體上發生表面化學吸附反應,從而逐層形成薄膜。此外,PE-ALD獨有的自限制反應機制使其具有優異的三維共形性、大面積均勻性以及原子尺度膜厚控制等特點。

        近年來,PE-ALD已經在柔性電子領域展現出巨大的應用潛力。2016年,比爾肯特大學的研究人員首次使用PE-ALD技術在柔性聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)上成功制備出原型GaN薄膜晶體管。器件的開關比接近103,具有良好的飽和輸出特性。然而,器件的性能提升可能受限于較低的(200℃)沉積溫度。另外,文中也并沒有對PE-ALD 制備GaN 薄膜的物性進行分析。

        采用等離子增強原子層沉積技術(PE-ALD)在350℃溫度下,在KAPTON柔性襯底上直接生長出多晶GaN薄膜。利用低角度掠入射X射線衍射儀、AFM、SEM、TEM、XPS對薄膜的晶體結構、表面形貌及薄膜成分進行了表征和分析。結果表明,薄膜呈多晶態,且具有良好的均勻性;薄膜中的N元素全部以N-Ga鍵形式存在;大部分Ga元素以Ga-N鍵形式構成GaN;少量的Ga元素分別以Ga-Ga鍵和Ga-O鍵形式構成金屬鎵以及Ga2O3。研究發現,雖然KAPTON具有較好的耐高溫性,但GaN會反向擴散進入KAPTON襯底,形成具有一定厚度的GaN擴散層。


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