等离子体增强原子层沉积AlN外延单晶GaN研究

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料,具有较大的禁带宽度,较高的击穿电场强度、电子迁移率、热导系数以及直接带隙等优异特性,被广泛应用于电子器件和光电子器件中。由于与衬底的失配问题,早期工艺制备GaN材料难以获得高质量单晶GaN薄膜。直到采用两步生长法,即先在衬底上低温生长氮化铝(AlN)成核层,再高温生长GaN,才极大地提高了GaN材料的质量。目前用于制备AlN成核层的方法有磁控溅射以及分子束外延等,为了进一步提高GaN晶体质量,本研究提出在两英寸c面蓝宝石衬底上使用等离子体增强原子层沉积(Plasma-enhanced Atomic Layer Deposition,PEALD)方法制备AlN成核层来外延GaN。相比于磁控溅射方法,PEALD方法制备AlN的晶体质量更好;相比于分子束外延方法,PEALD方法的工艺简单、成本低且产量大。沉积AlN的表征结果表明,AlN沉积速率为0.1 nm/cycle,并且AlN薄膜具有随其厚度变化而变化的岛状形貌。外延GaN表征结果表明,当沉积厚度为20.8 nm的AlN时,GaN外延层的表面最平整,均方根粗糙度为0.272 nm,同时具有最好的光学特性以及最低的位错密度。本研究提出了在PEALD制备的AlN上外延单晶GaN的新方法,沉积20.8 nm的AlN有利于外延高质量的GaN薄膜,可以用于制备高电子迁移率晶体管及发光二极管。

基于PLC的原子层沉积设备系统设计

原子层沉积技术是一种优异的真空镀膜技术,广泛应用于泛半导体领域,原子层沉积设备是实现原子层沉积技术的一种工艺系统。基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)和人机界面(Human Machine Interface,HMI)设计了原子层沉积设备系统,通过分析原子层沉积技术的原理和工艺来设计原子层沉积设备的运行流程。系统设计过程中综合考虑系统的整体性能、成本、国产化等因素,最终确定以DVP-ES2系列PLC为控制器,以TPC1570Gn触摸屏为人机界面的控制设计方案。最后该系统以原子层沉积设备常用的单晶硅表面生长氧化铝薄膜实验作测试,通过椭偏仪来测量单晶硅表面氧化铝薄膜生长的厚度,计算每个周期氧化铝薄膜生长的厚度为结果,通过多组实验,该系统每周期生长厚度约0.125 nm,接近理论值0.12 nm,表明该控制系统达到了设计要求。

原子层沉积金属氧化物缓冲层制备高性能大面积钙钛矿太阳电池

研制具有较大活性面积的钙钛矿太阳电池对领域面向产业化的发展具有重要意义.当前,大面积钙钛矿太阳电池的性能与小面积钙钛矿太阳电池之间仍存在较大差距.本文提出一种在透明导电薄膜衬底上预先原子层沉积TiO_(2)薄层的策略,有效避免了衬底局部突起与钙钛矿吸光层直接接触导致的漏电现象,提升了小面积器件制备工艺的重复一致性.改善的电子输运和光管理过程也提高了小面积器件的效率.更重要的是,本文基于原子层沉积的TiO_(2)开展了0.5 cm^(2)大面积钙钛矿太阳电池的研究,通过优化TiO_(2)层的厚度,研制出光电转换效率高达24.8%的冠军器件(第三方认证效率24.65%),器件的制备工艺也表现出较好的重复性.此外,原子层沉积了TiO_(2)缓冲层的电池器件在氮气氛围下存储1500 h后仍然能够保留初始性能的95%以上.总之,在粗糙衬底上预先原子层沉积TiO_(2)薄层可以有效抑制局部漏电通道的产生,有利于制备高性能的大面积钙钛矿太阳电池.

原子层沉积法制备限域型Pt基催化剂及其苯酚催化性能

选择合适的载体负载贵金属Pt纳米粒子,对于制备高效的苯酚加氢催化剂具有重要意义。使用原子层沉积技术,以碳纳米纤维作为模板,在其表面依次沉积Pt纳米粒子,厚的氧化钛壳层,通过高温烧结除去模板,得到限域在氧化钛纳米管内壁的Pt纳米粒子。在500℃烧结温度下Pt纳米粒子的粒径在2.0~3.2 nm之间,平均粒径为2.6 nm,尺寸高度一致,均匀地分散并且嵌入到氧化钛纳米管的中空管道内壁。与常规负载在氧化钛纳米管外壁的Pt纳米粒子相比,该限域催化剂的催化转化率更高,在500℃烧结温度下转化频率(TOF)值为482.1 h^(−1),表现出更好的催化活性,而且由于氧化钛纳米管的保护作用,可有效防止Pt纳米粒子在反应过程中的聚集和脱落,在反应后Pt的质量分数仅降低了4.52%,其形貌也没有发生明显改变,从而表现出优异的催化稳定性。

原子层沉积技术调控分子筛基催化剂研究进展

分子筛基催化剂在多相催化研究领域具有重要的应用,但调控活性中心粒子的结构及其在分子筛上的空间位置仍比较困难,是科研界和工业界共同面临的巨大挑战。原子层沉积(ALD)是一种先进的薄膜沉积技术,利用其自限制生长优势,可在原子级别实现对金属粒子生长过程的精准调控。本工作综述了ALD技术在制备分子筛基催化剂方面的应用,主要包括利用ALD技术控制活性位点在分子筛上的生长落位、修饰分子筛骨架结构以及选择性沉积膜调变分子筛表面结构。利用ALD技术设计和调控活性组分结构促进了分子筛基催化剂的发展,但由于分子筛孔道结构复杂且存在缺陷位,因此,ALD技术在分子筛基催化剂的设计调控及大规模应用方面仍具有挑战性,也是今后研究工作的重点。

Ⅲ族氮化物半导体及其合金的原子层沉积和应用

Ⅲ族氮化物半导体由于包含了宽的直接禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度、高电子迁移率等优异的性质,自从发展以来便成为半导体领域中的一个热点.并且由于其禁带宽度可以从近紫外涵盖到红外区域,因此在传统半导体所难以实现的短波长光电子器件领域,也具有广阔的应用前景.原子层沉积由于其特殊的沉积机制可以在较低的温度下实现Ⅲ族氮化物半导体的高质量制备,通过调整原子层沉积的循环比也可以方便地调整合金材料中的成分.发展至今,原子层沉积已经成为制备Ⅲ族氮化物及其合金材料的一种重要方式.因此,本文着重介绍了近期使用原子层沉积进行Ⅲ族氮化物半导体及其合金的沉积及应用,包括使用不同前驱体、不同方式、不同类型原子层沉积,在不同温度、不同衬底上进行氮化物半导体及其合金的沉积.随后讨论了原子层沉积制备的Ⅲ族氮化物材料在不同器件中的应用.最后总结了原子层沉积在制备Ⅲ族氮化物半导体中的前景和挑战.

基于原子层沉积基底的液体分子表面增强拉曼作用距离分析

目的使用原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)技术探究表面增强拉曼(surface enhancement of raman scattering,SERS)效应强度随探针分子与增强表面距离的变化。方法研究使用ALD技术在SERS表面沉积不同厚度的二维材料以阻隔拉曼探针分子与表面,从而探究不同作用距离对于该表面SERS效应的削弱作用,并研究探针分子拉曼光谱强度的变化;以银-硅组合作为SERS基底,以10^(-4)mol/L浓度结晶紫水溶液作为拉曼探针进行了不同厚度二维材料下的SERS效应探究实验。结果532 nm激光波长下的液体SERS光谱强度大体上随二维材料厚度的增大而减弱。结论5 nm厚度是其作用极限距离。

基于原子层沉积IGZO场效应晶体管的接触电阻优化

氧化铟镓锌(IGZO)具有宽带隙、高迁移率、和CMOS后道工艺兼容等优势,可用于下一代高密度三维堆叠存储器。随着IGZO场效应晶体管的尺寸不断微缩,源漏接触电阻在开态时会主导器件总电阻。因此,IGZO场效应晶体管的接触电阻优化成为需要研究的一个关键问题。本文采用原子层沉积的IGZO作为沟道并制备出场效应晶体管,探究了接触金属种类及后退火工艺对IGZO场效应晶体管接触电阻的影响。结果表明,退火前镍和钛的接触电阻相当。但在Ar/O2氛围、250℃条件下退火2小时后,采用钛接触的IGZO场效应晶体管的接触电阻降低到镍接触的8.3%,实现接触电阻低至0.86 kΩ·μm,同时阈值电压正移实现了增强型器件。与此同时,制备出超短沟长(Lch=80 nm)的IGZO场效应晶体管,开态电流高达412.2μA/μm、亚阈值摆幅为88.6 mV/dec,漏致势垒降低系数低至0.02 V/V。这些结果表明,通过优化接触金属种类及后退火条件,可实现高性能IGZO场效应晶体管,并为IGZO大规模实际应用提供新思路。

原子层沉积实验平台设计与教学应用

培养学生的创新思维和动手能力是新能源材料与器件专业的主要任务之一.原子层沉积技术因沉积厚度精确可控、共形性强等独特优势被广泛应用于电极材料及器件的改性.设计了一套原子层沉积技术教学平台,涵盖了原子层沉积技术的原理、优势及其在储能材料与器件领域的应用等多个单元,加强学生对储能材料与器件的认识,全面提升学生的科研能力,培养新能源材料与器件专业型人才.

原子层沉积设备控制系统设计

以工控机与数字量输入输出板卡为基础,设计原子层沉积设备控制系统。采用工控机串行通信端口实现真空计、流量计、温度计等数据采集与控制。在N型单晶硅基底表面氧化铝薄膜生长测试中,生长300周期氧化铝薄膜平均厚度为33.84 nm,非均匀性为0.36%,生长速率1.13A/cycle,达到氧化铝工艺标准。实验结果表明设备运行稳定可靠,满足实际工艺需要。

原子层沉积及其在透明导电薄膜领域的研究与应用

集成电路行业器件尺寸不断缩小,表面更复杂,对镀膜提出了更高的要求,而原子层沉积因其保形性和自限制生长的优势而获得了广泛的关注和研究。本文在简要介绍一些常用的镀膜方式基础上,对原子层沉积原理及自限制生长进行了重点介绍。以氧化铟为代表,通过对比分析说明原子层沉积制备薄膜在形貌、成分等方面的优越性,对不同方式制备的常见透明导电薄膜的光电性能进行了总结。详细讨论了原子层沉积的应用范围,包括在大尺寸基底,如大平面和大曲率基底上可以制备高质量薄膜,在小尺寸基底,如粉体、沟槽、微纳结构上仍然有着超高的保形性。最后对原子层沉积制备薄膜的优势进行了总结,对其独特的发展潜力进行了展望。

原子层沉积技术用于红外透明导电薄膜

二十世纪六七十年代,前苏联科学家Aleskovskii和Koltsov首次提出了原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)技术,但受限于沉积效率低、表面化学反应复杂、设备要求较高等因素而未得到发展。二十世纪九十年代以后,集成电路行业器件尺寸不断减小,纵横比不断增大,器件表面更加复杂,镀膜困难程度不断提高。ALD技术以其可自限制生长和共形沉积的特点,在大平面、大曲率基底、小尺寸沟槽及缝隙等复杂三维表面均匀沉积薄膜,甚至可以用于辅助生长纳米催化剂,因而在众多薄膜沉积技术中脱颖而出。

原子层沉积过程中腔室内前驱体分布的模拟研究

建立了原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)反应腔室的三维模型,利用ANSYS Fluent软件模拟分析了ALD过程中压强、前驱体脉冲时间、温度等工艺参数变化对前驱体分布的影响。模拟结果表明:反应压强越低,Mg(Cp)_(2)前驱体分子的扩散系数越高,能更快且更均匀地分布在整个反应腔室之中;前驱体脉冲时间越长,在反应腔室内的分布越均匀;当脉冲时间为250 ms时,Mg(Cp)_(2)在反应腔室内分布基本均匀,反应腔室内各部位的前驱体质量分数基本一致;当脉冲时间为200 ms时,H_(2)O基本均匀分布在反应腔室内。在MgO薄膜的ALD温度窗口内,反应腔室内温度越高,Mg(Cp)_(2)前驱体分子的扩散效应越强。

原子层沉积构筑Pd/TiO_(2)限域催化剂及其在1,4-丁炔二醇加氢的应用

利用ALD制备了TiO_(2)限域的Pd催化剂,研究了限域空间内Pd纳米颗粒与TiO_(2)的界面作用对1,4-丁炔二醇(BYD)加氢性能的影响.相比于管外负载型催化剂,限域催化剂在催化1,4-丁炔二醇选择性加氢反应中体现出非常高的催化活性和1,4-丁烯二醇的选择性.HR-TEM、EDX-Mapping、XRD、XPS和H2-TPR表征说明,限域体系中Pd-TiO_(2)的界面相互作用强于传统TiO_(2)表面负载型Pd催化剂,这种强界面作用不仅能够提高BYD的加氢活性,也可抑制半加氢产物1,4-丁烯二醇的异构化和深度加氢,提高1,4-丁烯二醇的选择性,而且限域结构也可阻止管内壁Pd纳米颗粒的脱落,提高催化剂的稳定性.

热原子层沉积钛掺杂氧化镓薄膜的光学性能

在250℃的低温下,以三甲基镓、四(二甲氨基)钛为前躯体源,O_(3)为反应气体,采用热原子层沉积制备了Ti掺杂Ga_(2)O_(3)(TGO)薄膜。Ga_(2)O_(3)和TiO_(2)的生长速率分别为0.037 nm/cycle和0.08 nm/cycle,TGO薄膜厚度低于理论计算值。X射线光电子能谱仪测试结果表明膜中Ti浓度随Ga_(2)O_(3)/TiO_(2)循环比减少而增加,O 1s、Ga 2p和Ti 2p的峰位置向较低的结合能移动,这是因为Ti原子取代了Ga原子的某些位点引起了结合能降低,表明Ti元素成功掺杂到Ga_(2)O_(3)薄膜中。TiO_(2)和Ga_(2)O_(3)的芯能级光谱分析表明薄膜中存有Ti^(4+)和Ga^(3+)离子。TGO薄膜的O 1s芯能级光谱中Ga-O键随着Ti-O键含量增加而下降,表明TGO薄膜中形成Ga_(2)O_(3)-TiO_(2)复合材料。掠入射X射线衍射图中没有出现衍射峰,表明沉积的Ga_(2)O_(3)和TGO薄膜为非晶态。原子力显微镜观察到薄膜表面平整光滑,均方根粗糙度为0.377 nm,这得益于原子层沉积逐层生长的优势。TGO薄膜在可见光区表现出较高的透明度,对紫外光强烈吸收。随着Ti掺杂浓度的增加,TGO薄膜的折射率由于化学变化从1.75增加到1.99,紫外光区消光系数增大引起透过率减小,吸收边缘出现了红移,光学带隙从4.9 eV减小到4.3 eV。分光光度法和X射线光电子能谱法测定薄膜光学带隙所得的结果一致。

AlGaN合金的原子层沉积及其在量子点敏化太阳能电池的应用

本文探究了c面蓝宝石衬底上AlGaN三元合金的等离子增强原子层沉积生长,同时结合量子点敏化太阳能电池的制备,研究了AlGaN合金的作用.AlGaN三元合金在原子层沉积过程中,薄膜与衬底的界面以及带隙都与Al组分有关.高Al组分时,AlGaN合金薄膜与衬底之间有较好的界面,然而Al组分降低时,界面变得粗糙.原子层沉积制备的AlGaN合金具有较高的带隙,与薄膜内的氧含量有关.随后,将AlN/GaN循环比例为1∶1的AlGaN薄膜分别制备CdSe/AlGaN/ZnS和CdSe/ZnS/AlGaN结构电池并进行了量子点太阳能电池的制备和分析.结果发现,AlGaN对量子点和TiO2有修饰钝化作用,可以包裹和保护TiO2和CdSe量子点结构,从而避免了光生载流子的复合.这种修饰作用也体现在改善量子点太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子和光电转化效率方面,尝试从原子层沉积制备的AlGaN薄膜在改变载流子传输方面进行讨论.

基于云服务器的原子层沉积远程监控系统设计

原子层沉积设备置于特定的超净室,设备操作人员需频繁进出超净室观察设备状态及实验数据,操作人员的工作效率受空间限制。针对这一问题,设计一种基于云服务器的原子层沉积远程监控系统,系统主要由数据采集平台、通信协议平台和远程监控平台组成。利用Automation studio搭建贝加莱可编程逻辑控制器和边缘计算网关间数据传输,结合4G和TCP/IP通信技术,使系统实现底层传感器采集到的多种数据通过贝加莱主控器和边缘计算网关实时传输到PC端和手机端的网页进行人机交互,在系统中融合AES加密算法,增强数据远程传输环节数据的保密性,提高系统整体的安全性。测试结果表明,该系统能够实时监测到原子层沉积设备进行实验时的设备状态和实验数据,解决了空间限制的问题,提高了企业生产效率,具有较好的新颖性和实用性。

基于Fluent的批量型原子层沉积反应器流场分析及实验研究

目前批量原子层沉积反应器存在气体扩散不均、腔室利用率低、反应副产物残余等缺点,影响了沉积薄膜的质量,降低了生产效率。针对以上问题,利用Fluent软件建立起批量原子层沉积反应器的仿真模型,首先分析了反应器添加不同结构尺寸的匀气挡板对气体速度、浓度以及扩散时间的影响;其次分析了片架间的距离对气体速度的影响;并将Al2O3薄膜的均匀性实验结果与仿真模拟结果进行对比,验证了仿真模型的准确性与可靠性,为批量原子层沉积反应器的改进与优化设计提供了参考。

多孔基底原子层沉积薄膜分布的数值模拟

原子层沉积(ALD)技术能在多孔基底内沉积亚纳米精度的薄膜,从而调节孔道尺寸和界面性质。此类ALD薄膜沉积,同时受到前驱体扩散和反应的影响,这给沉积动力学研究带来了困难。本文对ALD制备ZnO薄膜过程中前驱体在γ-Al_(2)O_(3)基底外表面沉积和孔道内沉积过程建立了模型,并通过数值模拟对表面和孔道两种模型进行了参数敏感性分析,拟合得到沉积物覆盖率公式。结果表明:在表面沉积过程中,随着吸附速率常数ka、吸附态的二乙基锌(DEZ*)向单乙基锌(MEZ)转化速率常数k1、羟基浓度COH的增大,和脱附速率常数kd的减小,基底表面的薄膜沉积加快;对于孔道内沉积过程,较大的羟基浓度COH和较小的扩散系数DS,驱使薄膜沉积在较浅位置;拟合所得解析式能准确预测多孔基底外表面和孔道内的沉积物覆盖率及其分布。

基于原子层沉积的量子点色彩转换膜封装

量子点色转换是实现新型显示器件全彩化和提升显示色域的一种有效策略,但量子点环境稳定性差限制了其应用和发展。本文基于具有自限制表面反应特性的原子层沉积工艺,探索了在量子点色彩转换膜上原位生长致密的氧化铝封装膜,该封装方法将具有高光透过率、高致密的材料与贴合紧密的工艺有效结合。仿真结果表明,氧化铝封装的量子点色彩转换膜的出光强度达到了未封装的94.9%。并且,实验结果也表明,氧化铝封装基板的光透过率是空白基板的96.4%,而且封装后的量子点色彩转换膜在高温高湿(85℃,85%RH)环境中工作240 h后,光转换效率仍然保持初始的60.8%,比未封装的光转换效率(11.43%)提升了63.9%。该封装方法实现了在量子点色彩转换膜出光强度不受影响的同时,有效提升量子点色彩转换膜的稳定性,为量子点色彩转换膜的稳定性提升提供了一条可行思路,同时扩展了原子层沉积工艺在光电显示领域的应用,具有重要的科学意义和应用前景。