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纳米氧化锌薄膜的特性及研究进展

来源:用户上传      作者: 陈雪娇

  摘 要 纳米氧化锌薄膜是一种新型的宽禁带直接带隙半导体材料,激子结合能较高,具有很高的热稳定性和较好的化学稳定性,晶格和光电性能优异,在各类电子和短波光学器件方面应用广泛,因此成为了国内外的研究热点。文章重在阐述其发光特性和研究现状,并展望其发展前景。
  关键词 纳米ZnO薄膜;特性;进展
  中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2014)13-0008-02
  纯ZnO及其掺杂薄膜具有优异的晶格和光电性能,易于产生缺陷和进行杂质掺杂,并且具有价格低、无毒性、良好的机电耦合性能,低的电子诱生缺陷等优势,使其在光电元器件领域得到广泛开发和应用。
  1 薄膜的特性
  ZnO晶体为II-VI族六方纤锌矿结构宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度约为3.37eV,ZnO的另一个特点是激子结合能(60meV)高,能有效地工作于室温及更高温度。ZnO的熔点为1975℃,化学稳定性和热稳定性较高,500℃以下就可以制备出ZnO薄膜,这比SiC、GaN和其他II-VI族宽禁带半导体材料的制备温度要低很多。这使ZnO成为室温短波长光电子材料的研究热点。本征态的ZnO理论上是绝缘体,但事实上由于ZnO中锌间隙和氧空位的存在,为n型半导体。优质的ZnO薄膜具有c轴择优取向生长。ZnO薄膜在可见光区透过率高达90%,电阻率低至10-4Ω・cm,是一种理想的透明导电薄膜。
  2 薄膜的发光机理
  2.1 紫外光的发射
  一般认为ZnO的紫外发射与带边激子对的复合有关,其发射强度由化学配比、晶格完整性和结晶质量决定,结晶质量越好的ZnO薄膜紫外发射强度越高。
  2.2 绿光的发射
  ZnO薄膜的蓝-绿发光一直是人们研究的热点。不同于紫外发射,人们对绿光发射持有不同见解。通常认为绿光源于氧空位与价带空穴间的复合跃迁[1]和氧空位与锌空位间的跃迁[2]。还有研究认为锌间隙与绿光有关。近几年的研究认为绿光来自导带底到氧位错缺陷能级间的跃迁[3]。对于确切的哪种点缺陷在绿光发射中占据主导作用学者们仍在探究。
  2.3 其他光的发射
  图1 利用全势线性多重轨道的方法计算的ZnO本征缺陷能级[7]
  在研究ZnO薄膜的发光中,还常伴有紫光、黄光、橙光和红光。其机理为:紫光源于晶界产生的辐射缺陷能级与价带之间的跃迁[4]。黄光与氧间隙[5]或一种ZnO2的配比结构有关。橙、红光与富氧的ZnO 结构[6]或沉积过程中形成的自然缺陷相关。
  文献[7]是利用全势线性多重轨道的方法计算ZnO本征缺陷能级水平,这对发光机理的研究起到了推动性作用。
  3 ZnO薄膜的研究现状及展望
  ZnO以其优异的性能(主要是低阈值高效光电特性、强烈的紫外吸收和紫外激光发射、量子限域效应、光催化和压电等性能)在半导体氧化物中独占鳌头,ZnO薄膜以其原料廉价易得,生长温度相对低,成膜质量高,较易实现掺杂,成为了应用广泛的透明导电薄膜。自1997年发现ZnO薄膜具有紫外受激发射的特性以来,此后在室温下观测到具有纳米结构的微晶薄膜光泵激光发射,因其激子结合能(60meV)比同是宽禁带材料的ZnSe(20meV)、GaN(28meV)高出许多,能有效工作于室温(26mev)及更高温度,且制备温度比GaN和其他II-VI族半导体宽禁带材料的制备温度低很多,使得薄膜与衬底原子的互扩散得到了大大降低。ZnO成为继GaN之后新的短波长半导体材料的研究热点。ZnO薄膜在可见光范围内透过率高达90%,可以应用于优质的太阳能电池透明电极。在紫外和红外光谱范围内具有强烈的吸收作用,可做为相应光谱区的阻挡层。目前ZnO薄膜在表面声波器件和压电传感器领域已投入应用,随电阻率变化的气敏元件正在研发中,但从实验室研究向大生产转化还需时日。
  3.1 掺杂和PN结的制作
  纯ZnO由于载流子浓度较低,电阻率较高,可以通过掺杂改变其性能。目前n型ZnO研究较多的是铝掺杂氧化锌(AZO),但由于Al原子半径比Zn原子半径大,掺杂中晶格畸变较大,会影响到薄膜的光电特性,而且Al较活泼,易被氧化。因此AZO在高温下氧缺位会因Al的氧化而消失,从而抑制了Al的掺杂效率,使薄膜的电阻率升高,影响薄膜的稳定性。但在温度相对低的情况,Al的掺杂提高其电导率,又不影响光的透过率。AZO薄膜在活性氢和氢等离子体环境中稳定性高,不易降低太阳能电池材料的活性,且廉价易得,在太阳能电池、平板显示器、半导体器件领域应用广泛。可见掺杂是ZnO薄膜改性的手段,不同物质和条件下的掺杂使ZnO薄膜具备不同的特性。
  ZnO薄膜作为一种光电半导体材料,制作出p-n 结是实现应用的关键。制备出稳定的可重复的高性能的p型ZnO薄膜异常困难,大多存在着高电阻率、低迁移率、低载流子浓度和不稳定等问题。其原因一是ZnO中氧空位、锌间隙及生长中引入的H杂质等大量施主缺陷,对掺杂的受主缺陷的补偿。二是ZnO中受主能级较深,室温状态离化产生空穴太难。三是一些受主杂质元素在薄膜中的固溶度低,难以提高载流子浓度。目前Minegishi等已经制备出了p型掺杂的ZnO薄膜,但其少子密度较低,且远低于实现pn结所需要的浓度。高质量、低电阻、稳定的p型ZnO薄膜仍亟待研究。
  制备出高浓度p型掺杂的ZnO从而制作出pn结是目前学者们的努力方向。除了努力实现高浓度p型掺杂之外,由于GaN和ZnO晶格匹配性较好,且p-GaN已经实现,因此利用p- GaN和n-ZnO来制作pn结相对容易实现。
  3.2 应用前景
  ZnO薄膜在光电、晶格、气敏、压敏、压电等方面性能优异且热稳定性高,目前,ZnO薄膜的应用主要有:制作紫外光器件、制作表面声波器件、LED(发光二极管)、液晶显示、LD(激光二极管)、气敏和压敏器件、可与GaN互作缓冲层、用于光电器件的单片集成,纳米ZnO薄膜以其无毒稳定且廉价易得的特性,有替代太阳能电池材料ITO(氧化铟锡)和二氧化锡等透明导电薄膜的趋势,推动了廉价太阳电池的发展。还可做为玻璃窗的热反射涂层,提高建筑物的热量利用率。用作紫外光阻挡层有效妨害紫外线辐射等。   4 ZnO薄膜的制备方法
  有射频磁控溅射、分子束外延(MBE)、溶胶凝胶(Sol-gel)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)等。脉冲激光沉积由于其工艺参数易于控制,沉积温度相对低,沉积薄膜的成分更接近于靶材,即使是多种成份的合金靶也可以用此方法获得,且成膜质量高,薄膜与衬底粘结度高。采用激光器做光源,避免了污染等优点。此法已广泛应用于制备高质量的ZnO薄膜。
  5 结论
  纳米ZnO薄膜性能优异、应用广泛、价格低廉,且其制备方法相对简单多样、易于实现掺杂且与硅IC兼容,利于实现电子元器件的集成,这些元器件已成为各类光学器件的重要组成部分,是极具开发前景的光电薄膜材料之一。随着研究的不断开展,ZnO薄膜的技术及应用必将更广泛地影响到人们的生产和生活。
  参考文献
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  [6]Liu M, Kitai A H, Mascher P. Point defects and luminescence centers in zinc oxide and zinc oxide doped with manganese. J Luminescence, 1992 (54): 35-42.
  [7]Y.M. Sun, Ph.D. thesis, University of Science and Technology of China, July, 2000.
  作者简介
  陈雪娇(1984-),女,辽宁鞍山人,中级职称,硕士研究生,研究方向:纳米薄膜材料。
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