柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于Ⅲ族氮化物薄膜和器件制造技术领域，提供了一种柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜及其制备方法，以聚酰亚胺为衬底，在聚酰亚胺衬底的一侧表面上，从内到外依次制备第一InxGa1‑xN缓冲层，石墨烯层，一维纳米导电材料层，第二InxGa1‑xN缓冲层，InxGa1‑xN外延层，其中第一InxGa1‑xN缓冲层、第二InxGa1‑xN缓冲层和InxGa1‑xN外延层均使用电子回旋共振‑等离子体增强金属有机物化学气相沉积方法低温制备，而石墨烯层和一维纳米导电材料层均使用旋涂方法制备，所制备的高质量InxGa1‑xN薄膜可用于制备氮化铟镓基太阳能电池、薄膜晶体管等柔性透明器件，具有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜及其制备方法
本专利技术属于Ⅲ族氮化物薄膜和器件制造
，特别涉及柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜及其制备方法，具体是以聚酰亚胺为衬底，在聚酰亚胺衬底的一侧表面上，从内到外依次制备第一InxGa1-xN缓冲层，石墨烯层，一维纳米导电材料层，第二InxGa1-xN缓冲层，InxGa1-xN外延层。其中第一InxGa1-xN缓冲层，第二InxGa1-xN缓冲层和InxGa1-xN外延层均使用电子回旋共振-等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-PEMOCVD)方法低温制备，而石墨烯层和一维纳米导电材料层均使用旋涂方法制备。
技术介绍
聚酰亚胺(Polymide，PI)有着优良的机械、绝缘、柔性、透明、耐辐射、耐腐蚀和耐高低温等性能，是热稳定性最高的聚合物，有些聚酰亚胺的热分解温度可达550℃以上。聚酰亚胺作为柔性透明衬底，可用于制作柔性的光电器件和电子器件等。若能在聚酰亚胺衬底上制备出高晶体质量的氮化铟镓(InxGa1-xN，包括氮化镓GaN、氮化铟InN及其固溶体)薄膜，将大大促进氮化铟镓基器件在柔性透明器件领域的应用。但是，目前工业上主要采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长InxGa1-xN薄膜及器件，其生长温度通常高达800℃以上，不能采用不耐高温的聚酰亚胺衬底，因而在聚酰亚胺衬底上制备InxGa1-xN薄膜需要一种低温的生长方法。另一方面，一些InxGa1-xN薄膜及器件需要生长在表面是透明导电的衬底上，这就需要在绝缘的聚酰亚胺衬底表面上预先制备透明导电层，而一维纳米导电材料可散布在聚酰亚胺衬底上用于制备柔性的透明导电层，所述一维纳米导电材料是指能够导电的纳米线、纳米管及纳米同轴电缆等一维纳米材料。目前使用Ag纳米线、Cu纳米线和碳纳米管等可在聚酰亚胺衬底上制备出透过率和导电性均优于氧化铟锡(ITO)的柔性透明导电层。然而，由于聚酰亚胺衬底的表面结晶质量很差，现有技术难以直接在覆有一维纳米导电材料层的聚酰亚胺衬底上制备出高晶体质量的InxGa1-xN薄膜。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种制备方法先进，制备成本低，晶体质量高的一种柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜及其制备方法，以克服已有技术的不足。本专利技术实现其目的的主导技术构想是：在聚酰亚胺衬底上预先低温制备c轴择优取向生长的第一InxGa1-xN缓冲层，第一InxGa1-xN缓冲层中掺杂硅，使其即具有导电性，也能作为后续InxGa1-xN薄膜(包括后续生长的第二InxGa1-xN缓冲层和InxGa1-xN外延层)生长的模板使用，然后在第一InxGa1-xN缓冲层上制备出不连续的石墨烯层，由于石墨烯的表面能低且与InxGa1-xN之间的反应弱，所以后续InxGa1-xN薄膜将优先在未覆盖有石墨烯的第一InxGa1-xN缓冲层上成核生长，且晶粒渐渐长大而横向外延生长于石墨烯层上，可实现低位错密度高晶体质量的后续InxGa1-xN薄膜的横向外延生长，进一步地，当在石墨烯层上预先制备了一维纳米导电材料层以后，一部分后续InxGa1-xN薄膜还可在散布的一维纳米导电材料上实现成核和横向外延生长，由于一维纳米导电材料层可以使不连续的石墨烯层实现电学连接，从而在聚酰亚胺衬底和后续InxGa1-xN薄膜之间形成了一个由“一维纳米导电材料层/石墨烯层/第一InxGa1-xN缓冲层”构成的复合透明导电层，从而满足后续InxGa1-xN薄膜下具有柔性透明导电层和柔性透明衬底的一些器件要求。在制备InxGa1-xN薄膜的诸多方法中，ECR-PEMOCVD方法可以提供反应所需的多种高活性等离子体源，而不需要依靠高温裂解气体来提供反应粒子，因而可使InxGa1-xN薄膜的制备温度降低到550℃以下甚至室温，这样可使用不耐高温的聚酰亚胺衬底以及更低熔点的一维纳米导电材料层。另外，低温制备工艺有利于降低聚酰亚胺衬底与后续各膜层之间因热膨胀系数不同而导致的热失配应力，也有利于抑制聚酰亚胺衬底、石墨烯层和一维纳米导电材料层中的杂质向InxGa1-xN薄膜中的扩散，有利于提高InxGa1-xN薄膜的晶体质量。更重要的是，ECR-PEMOCVD低温制备方法还可抑制氮(N)和铟(In)的挥发，从而有利于制备高In组分的InxGa1-xN薄膜甚至是高晶体质量的InN薄膜。在制备石墨烯层和一维纳米导电材料层的诸多方法中，旋涂方法具有工艺简单、成膜均匀性好和膜层厚度容易控制的优点，特别适于均匀的超薄涂层的制备。当使用旋涂方法制备石墨烯层和一维纳米导电材料层以后，所有的膜层均可使用550℃以下的温度在聚酰亚胺衬底上实现低温制备，由于聚酰亚胺衬底和后续制备的各膜层均是柔性透明的，因而可用于制备氮化铟镓基柔性器件。本专利技术的技术方案：柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜，采用聚酰亚胺作为衬底，在聚酰亚胺衬底1的一侧表面上，从内到外依次有第一InxGa1-xN缓冲层2、石墨烯层3、一维纳米导电材料层4、第二InxGa1-xN缓冲层5和InxGa1-xN外延层6；由以上所给出的第一技术方案可以明了，本专利技术所述的柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜，是在掺硅的第一InxGa1-xN缓冲层上还依次制备了石墨烯层和一维纳米导电材料层，从而在柔性聚酰亚胺衬底上制备出了“一维纳米导电材料层/石墨烯层/第一InxGa1-xN缓冲层”这一复合透明导电层，然后再依次制备第二InxGa1-xN缓冲层和高晶体质量的InxGa1-xN外延层，实现了本专利技术的初衷。在上述技术方案中，本专利技术还主张，所述聚酰亚胺衬底的厚度为10～400μm；所述第一InxGa1-xN缓冲层的厚度为20～400nm，第一InxGa1-xN缓冲层的组分值控制为：0≤x≤1，第一InxGa1-xN缓冲层中掺杂硅，掺杂剂使用硅烷SiH4，硅掺杂浓度控制为1×1018～5×1020cm-3；所述石墨烯层是由石墨烯微片构成的表面不连续的石墨烯层，其中石墨烯微片的厚度为0.335～3.35nm，石墨烯微片的横向尺寸为0.2～5μm，石墨烯层在第一InxGa1-xN缓冲层表面的覆盖度为30％～80％；所述一维纳米导电材料层是由一维纳米导电材料堆叠而成的，其中一维纳米导电材料的直径为3～50nm，长径比为100～2000，一维纳米导电材料的成分为Ag，Au，Cr，Cu，Mo，Ni，Pd，Pt，Ti，C中的至少一种组成，一维纳米导电材料层的厚度为10～200nm；所述第二InxGa1-xN缓冲层的厚度为20～200nm，第二InxGa1-xN缓冲层的组分值控制为：0≤x≤1；所述InxGa1-xN外延层的厚度为0.3～3μm，InxGa1-xN外延层的组分值控制为：0≤x≤1。但不局限于此。本专利技术实现其第二目的的技术方案是：柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜的制备方法，依次包括以下顺序步骤：a.ECR-PEMOCVD方法清洗聚酰亚胺衬底；b.ECR-PEMOCVD方法氮化聚酰亚胺衬底及制备第一InxGa1-xN缓冲层；c.旋涂方法制备石墨烯层；d.旋涂方法制备一维纳米导电材料层；e.ECR-PEMOCVD方法制备第二InxGa1-xN缓冲层；f.ECR-PEMOCVD方法制备InxGa1-xN外延层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜，其特征在于，所述的氮化铟镓薄膜采用聚酰亚胺作为衬底，在聚酰亚胺衬底1的一侧表面上，从内到外依次有第一InxGa1‑xN缓冲层2、石墨烯层3、一维纳米导电材料层4、第二InxGa1‑xN缓冲层5和InxGa1‑xN外延层6；所述的聚酰亚胺衬底1的厚度为10～400μm；所述的第一InxGa1‑xN缓冲层2的厚度为20～400nm，第一InxGa1‑xN缓冲层1的组分值控制为：0≤x≤1，第一InxGa1‑xN缓冲层中掺杂硅，掺杂剂使用硅烷SiH4，硅掺杂浓度控制为1×1018～5×1020cm‑3；所述的石墨烯层3是由石墨烯微片构成的表面不连续的石墨烯层，其中石墨烯微片的厚度为0.335～3.35nm，石墨烯微片的横向尺寸为0.2～5μm，石墨烯层3在第一InxGa1‑xN缓冲层2表面的覆盖度为30％～80％；所述的一维纳米导电材料层4是由一维纳米导电材料堆叠而成的，其中一维纳米导电材料的直径为3～50nm，长径比为100～2000，一维纳米导电材料的成分为Ag、Au、Cr、Cu、Mo、Ni、Pd、Pt、Ti、C中的至少一种组成，一维纳米导电材料层的厚度为10～200nm；所述的第二InxGa1‑xN缓冲层5的厚度为20～200nm，第二InxGa1‑xN缓冲层5的组分值控制为：0≤x≤1；所述的InxGa1‑xN外延层6的厚度为0.3～3μm，InxGa1‑xN外延层的组分值控制为：0≤x≤1。...

【技术特征摘要】
1.一种柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜，其特征在于，所述的氮化铟镓薄膜采用聚酰亚胺作为衬底，在聚酰亚胺衬底1的一侧表面上，从内到外依次有第一InxGa1-xN缓冲层2、石墨烯层3、一维纳米导电材料层4、第二InxGa1-xN缓冲层5和InxGa1-xN外延层6；所述的聚酰亚胺衬底1的厚度为10～400μm；所述的第一InxGa1-xN缓冲层2的厚度为20～400nm，第一InxGa1-xN缓冲层1的组分值控制为：0≤x≤1，第一InxGa1-xN缓冲层中掺杂硅，掺杂剂使用硅烷SiH4，硅掺杂浓度控制为1×1018～5×1020cm-3；所述的石墨烯层3是由石墨烯微片构成的表面不连续的石墨烯层，其中石墨烯微片的厚度为0.335～3.35nm，石墨烯微片的横向尺寸为0.2～5μm，石墨烯层3在第一InxGa1-xN缓冲层2表面的覆盖度为30％～80％；所述的一维纳米导电材料层4是由一维纳米导电材料堆叠而成的，其中一维纳米导电材料的直径为3～50nm，长径比为100～2000，一维纳米导电材料的成分为Ag、Au、Cr、Cu、Mo、Ni、Pd、Pt、Ti、C中的至少一种组成，一维纳米导电材料层的厚度为10～200nm；所述的第二InxGa1-xN缓冲层5的厚度为20～200nm，第二InxGa1-xN缓冲层5的组分值控制为：0≤x≤1；所述的InxGa1-xN外延层6的厚度为0.3～3μm，InxGa1-xN外延层的组分值控制为：0≤x≤1。2.一种柔性透明聚酰亚胺衬底上的氮化铟镓薄膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤a.ECR-PEMOCVD方法清洗聚酰亚胺衬底1首先对聚酰亚胺衬底1表面进行清洗并干燥预处理，然后将聚酰亚胺衬底1从ECR-PEMOCVD设备的手套箱传送至装样室，再从装样室传送至真空反应室内的料台上，当真空反应室的本底气压抽至5×10-4～1×10-5Pa以后，把料台温度加热至100～400℃，当料台温度稳定以后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氢气和氮气的混合气体，其中氢气流量为40～200sccm，氮气流量为5～40sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定以后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用氢氮混合等离子体清洗聚酰亚胺衬底，清洗时间为3～30min；步骤b.ECR-PEMOCVD方法氮化聚酰亚胺衬底1及制备第一InxGa1-xN缓冲层2把料台温度加热至100～400℃，当料台温度稳定以后，通过放电气体供气管路向石英杯放电室中通入氮气，氮气流量为60～200sccm，使真空反应室的气压控制为0.1～5Pa，当真空反应室的气压稳定以后，把微波电源功率设定为300～1000W，开启微波电源放电，开始使用氮等离子体对聚酰亚胺衬底1进行氮化处理，氮化时间为1～10min，氮化时间结束后，维持氮化时的各工艺参数不变，再通过气相金属有机物供气管路向真空反应室中通入所需的各金属有机物源和掺杂剂，开始使用ECR-PEMOCVD方法在氮化后的聚酰亚胺衬底1上制备第一InxGa1-xN缓冲层2，其中，三甲基镓TMGa的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，三甲基铟TMIn的摩尔流量为0～1×10-5mol/min，使第一InxGa1-xN缓冲层的组分值控制为：0≤x≤1，使第一InxGa1-xN缓冲层的厚度控制为20～400nm，掺杂剂使用硅烷SiH4，硅掺杂浓度控制为1×1018～5×1020cm-3；第一InxGa1-xN缓冲层1制备完毕以后，先关闭各金属有机物源和硅烷SiH4，然后把温度设定为20℃开始降温，降温...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦福文，马春雨，卢康，白亦真，林国强，王德君，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21