柔性衬底材料的研究

作者: 东莞市美鑫绝缘材料有限抖阴软件 日期: 2020-11-09 人气: - 评论: 0

  近年来,基于柔性衬底的柔性电子学研究在全球范围内受到越来越广泛的关注,美国《科学》杂志将有机电子技术进展列为2000年世界十大科技成果之一,与人类基因组草图、生物克隆技术等重大发现并列。柔性电子器件主要包括柔性传感、柔性医疗以及柔性显示等,因其独特的延展性、便携性及高效、低廉的制造工艺,在日常生活、医疗、军事、能源和计算机等领域具有广泛的应用前景。在柔性衬底的选择上,聚甲基苯烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯对苯二甲酯(PET)、聚碳酸酯(PC)等均可用于光学器件的制备,但是耐温性能的不足限制了其在微电子以及光电子等领域的应用。为了解决这一问题,科研人员开始尝试新的可替代衬底材料。其中,KAPTON作为一种极好的耐高温柔性材料,具备优良的力学、介电、耐辐射和耐溶剂等性能,因此成为目前柔性衬底材料的首选。截止目前,科研人员已经成功在KAPTON衬底上生长了一些化合物半导体薄膜,为之后制作柔性光电子器件铺平了道路。

  在这些半导体材料中,GaN 具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高,以及介电常数小等特性,在光显示、光存储等光电领域具有广泛的应用前景和研究价值。此外,GaN凭借其优异的抗辐射能力和良好的热稳定性,在高频高功率光电器件领域有着重要的应用,与SiC、ZnO等材料共同被誉为第三代半导体材料。虽然GaN具有优良的电学和光学特性,但是由于GaN薄膜外延层的沉积温度高,不能与柔性器件的低温要求相匹配,因此该材料的研究和应用绝大部分都是基于传统的刚性衬底。

  为了研制柔性氮化物光电器件,首先需要把氮化物薄膜与柔性衬底结合在一起。然而柔性衬底难以承受氮化物制备时的高温(大于800℃),为了解决这一问题,大部分研究人员选择将蓝宝石、Si表面外延生长的氮化物进行剥离并转移至柔性衬底。然而,不论是Si表面的化学腐蚀剥离,亦或是基于蓝宝石的激光剥离[5]都会降低器件的成品率,大大增加器件的商业化成本。因此,寻找一种有效的、符合柔性器件制作要求的薄膜生长技术非常重要。等离子增强原子层沉积(PE-ALD)技术以其独有的低温生长模式,在众多方法中脱颖而出。PEALD本质上是一种特殊的化学气相沉积(CVD)方法,该方法通过将气相前驱体交替地通入反应室并在沉积基体上发生表面化学吸附反应,从而逐层形成薄膜。此外,PE-ALD独有的自限制反应机制使其具有优异的三维共形性、大面积均匀性以及原子尺度膜厚控制等特点。

  近年来,PE-ALD已经在柔性电子领域展现出巨大的应用潜力。2016年,比尔肯特大学的研究人员首次使用PE-ALD技术在柔性聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)上成功制备出原型GaN薄膜晶体管。器件的开关比接近103,具有良好的饱和输出特性。然而,器件的性能提升可能受限于较低的(200℃)沉积温度。另外,文中也并没有对PE-ALD 制备GaN 薄膜的物性进行分析。

  采用等离子增强原子层沉积技术(PE-ALD)在350℃温度下,在KAPTON柔性衬底上直接生长出多晶GaN薄膜。利用低角度掠入射X射线衍射仪、AFM、SEM、TEM、XPS对薄膜的晶体结构、表面形貌及薄膜成分进行了表征和分析。结果表明,薄膜呈多晶态,且具有良好的均匀性;薄膜中的N元素全部以N-Ga键形式存在;大部分Ga元素以Ga-N键形式构成GaN;少量的Ga元素分别以Ga-Ga键和Ga-O键形式构成金属镓以及Ga2O3。研究发现,虽然KAPTON具有较好的耐高温性,但GaN会反向扩散进入KAPTON衬底,形成具有一定厚度的GaN扩散层。


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