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。为了获得用于柔性器件的自支撑薄膜,首先必须在晶格匹配较好的衬底上外延高质量的AlN。目前用于制备AlN薄膜的方法主要有:反应磁控溅射、金属-有机化合物化学气相沉淀、脉冲激光沉积和分子束外延。参考上述方案各自的优势和不足,本文选择了可以方便地制备多层复合薄膜的脉冲激光沉积,为下一步的通过化学腐蚀获得自支撑AlN薄膜做准备。为了探索脉冲激光沉积制备单晶AlN(002)的生长条件,首先选择了晶格失配度较低的MgO(111)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Al_2O_3(006)和Si(004)衬底,ZnO(002)和MgO(111)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Al_2O_3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。为了防止真空下淀积的AlN薄膜组分失配,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Al N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。采用脉冲激光沉积预淀积的MgO或Zn O也用作牺牲层,在一定的温度下被(NH_4)_2SO_4溶液腐蚀去除,以获得自支撑的AlN薄膜。这一自支撑的薄膜由于没有了衬底的钳制,许多性质更加接近甚至超越本征材料,并且可以转移到其它任意的衬底上组合出新的性能。本文中首先将自支撑的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d_(33)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。本文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。