氧化鋅薄膜材料研究

肖 揚(yáng)（梅河口第五中學(xué),吉林 梅河口 135000）

氧化鋅薄膜材料研究

肖 揚(yáng)
（梅河口第五中學(xué),吉林 梅河口 135000）

摘 要：1997年發(fā)現(xiàn)室溫紫外激光受激發(fā)射現(xiàn)象以來，ZnO 就逐漸成為寬帶隙光電材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。ZnO 為Ⅱ-Ⅵ族化合物, 是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料, 室溫下禁帶寬度為3.37 eV，可見光區(qū)透過率達(dá)80%以上。本文總結(jié)了氧化鋅薄膜的制備方法、發(fā)光原理等方面的研究進(jìn)展，展望了氧化鋅研究的熱點(diǎn)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ZnO；薄膜；制備方法

1　ZnO薄膜發(fā)光機(jī)理

ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷決定了ZnO薄膜的發(fā)光特性。氧空位、鋅空位、間隙位鋅的存在在ZnO禁帶中形成各種雜質(zhì)能級，有深能級也有淺能級，這些能級的存在使ZnO除了380nm處的發(fā)光峰之外還存在其他波長的發(fā)光峰。ZnO在可見光及紫外范圍內(nèi)的可能躍遷有很多，其中在可見光范圍內(nèi)的紅光的發(fā)射主要與氧空位和間隙位鋅有關(guān)；綠光的發(fā)射主要與氧空位、鋅空位、間隙位鋅有關(guān)；藍(lán)光可能只與鋅空位、間隙位鋅有關(guān)。

2　ZnO薄膜的制備方法

近年來, ZnO 基薄膜的研究廣泛開展，制備方法種類繁多， 主要有磁控濺射、分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積( PLD)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、溶膠-凝膠( Sol-Gel)、水熱法等。其中水熱法是生長ZnO 體單晶的重要方法, 目前應(yīng)用較成熟，但此法易使ZnO 晶體中引入金屬雜質(zhì), 而且生長周期相對較長、高溫高壓存在一定危險(xiǎn)性。濺射法價(jià)格低、方法簡單、制備溫度低，其缺點(diǎn)是不易進(jìn)行摻雜，而且產(chǎn)物發(fā)光性質(zhì)不理想。分子束外延法生長的ZnO 薄膜的可以精確地控制生長參數(shù),而且制備的ZnO 薄膜質(zhì)量較高，但此法的生長速率較慢, 周期長的特點(diǎn)限制了其在實(shí)用器件制備方面的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的ZnO薄膜質(zhì)量較好,而且它能夠制備大尺寸的薄膜，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。溶膠-凝膠法是采用提拉或旋涂的方法將含鋅的溶膠均勻涂于基片上來制備ZnO薄膜, 其特點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)多元素?fù)诫s, 是目前國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化制備ZnO薄膜使用較多的方法，但此法在后期處理時(shí)，由于溶劑的蒸發(fā)容易使薄膜表面留下氣孔。

3　摻雜對ZnO薄膜光學(xué)特性的影響

為了獲得高發(fā)光效率的ZnO基發(fā)光二極管和激光二極管，目前，人們對n型ZnO、p型ZnO的制備和發(fā)光進(jìn)行了廣泛的研究。

由于ZnO存在嚴(yán)重的自補(bǔ)償效應(yīng)，大量的Zn空隙和O空位等本征缺陷的存在，使ZnO屬于本征n型半導(dǎo)體材料。目前，本征n 型ZnO載流子濃度達(dá)1.0×1018cm-3，遷移率為0.25cm2v-1s-1。

通過摻雜能夠改變ZnO的許多特性，其中包括物理特性，光學(xué)特性，磁性等。不同的摻雜對其影響一般不同，如晶格常數(shù)的變化、禁帶寬度的變化、雜質(zhì)能級的變化、載流子濃度的變化、磁性變化等。為了盡量不破壞ZnO的單相結(jié)構(gòu)，摻雜都要選用晶格常數(shù)、原子半徑、價(jià)電子結(jié)構(gòu)等基本特性與Zn相近的相關(guān)元素進(jìn)行。目前，通過Al、In、Ge、Mg等元素的摻雜，已經(jīng)制備出了性能良好的n型ZnO薄膜。與此相反，p型ZnO半導(dǎo)體的制備卻比較困難，普遍存在穩(wěn)定性、可重復(fù)性、載流子濃度低等問題，因而，許多研究人員一直在不懈努力，目前做的比較好的是日本。目前p型ZnO薄膜主要采取摻Ag、Cu、N以及多種元素共摻等方法實(shí)現(xiàn)，其中N摻雜比較理想。Z.Q.Ma通過Na、Mg共摻并進(jìn)行退火處理，獲得了比較穩(wěn)定的p型半導(dǎo)體，電阻率數(shù)量級為102Ω，載流子濃度數(shù)量級為1016cm-3。Ningyi Yuan 采用N-In 共摻并做退火處理得到電阻率為67.5KΩ的p型半導(dǎo)體，但是穩(wěn)定性較差，退火溫度升高時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閚型。此外，在ZnO半導(dǎo)體薄膜材料中摻入磁性過渡金屬離子，可使其成為稀磁半導(dǎo)體，因此稀磁ZnO半導(dǎo)體材料研究已受到廣泛關(guān)注，致使目前對ZnO進(jìn)行Mn、Co、Se等雜質(zhì)的摻雜成為研究熱點(diǎn)。由于這些磁性雜質(zhì)的存在會(huì)替代Zn原子，使原本不具有磁性的ZnO半導(dǎo)體獲得磁性，而且材料的晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)等性質(zhì)可由磁性離子的摩爾組分調(diào)節(jié)，因而使ZnO半導(dǎo)體材料的應(yīng)用前景進(jìn)一步擴(kuò)大。文獻(xiàn)《摻鋯氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備及特性研究》中劉漢法等人利用射頻磁控濺射法在室溫水冷玻璃襯底上成功地制備出了摻鋯氧化鋅(ZnO∶Zr)透明導(dǎo)電薄膜。研究了濺射功率對ZnO∶Zr薄膜結(jié)構(gòu)、形貌和光電性能的影響。《氧化鋅基紅色稀土發(fā)光材料的制備研究》中康明等人以氧化鋅為主要原料，采用濕法制備前驅(qū)物，在800℃高溫煅燒前驅(qū)物制備了氧化鋅摻銪和鋰紅色稀土發(fā)光材料。通過熒光光譜分析，發(fā)現(xiàn)595nm和612nm兩個(gè)發(fā)射波長。XRD分析發(fā)現(xiàn)兩種粒子絕大部分進(jìn)入了氧化鋅晶格中。

4　結(jié)語

目前制備表面形貌好，光學(xué)質(zhì)量高，具有磁性，電阻率低，載流子濃度高的ZnO薄膜或摻雜ZnO薄膜仍然是相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，與此同時(shí)，制備成本低、能夠大面積生長等一些考慮工業(yè)應(yīng)用前景的因素也是不容忽視的。

見于前面所述ZnO的優(yōu)異的綜合性能，使其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。比如，通過適當(dāng)?shù)膿诫s,產(chǎn)物表現(xiàn)出很好的低阻特征，這一性能使得ZnO 成為一種重要的電極材料, 可以用于太陽能電池的電極、液晶元件電極等；ZnO優(yōu)異的發(fā)光性質(zhì)及電子輻射穩(wěn)定性使其成為一種很好的單色場發(fā)射低壓平面顯示器備選材料, 而且在紫外光二極管、激光器等發(fā)光器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用空間；在磁性應(yīng)用方面，由于稀磁半導(dǎo)體既具有現(xiàn)有半導(dǎo)體的光、電性質(zhì)，又兼具良好的磁性，這種性能的半導(dǎo)體材料可有望開發(fā)在制造節(jié)能存儲器、高感度磁傳感器、高集成度存儲器、光集成電路等方面的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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