ZnO材料的性質(zhì)及其薄膜研究現(xiàn)狀

崔傳文 趙憲華 李成龍

【摘要】近幾年，ZnO作為寬禁帶半導(dǎo)體受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。和目前最成功的寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN相比，ZnO具有很多優(yōu)點(diǎn)。本文綜述了ZnO材料的主要性質(zhì)，并深入探討了ZnO薄膜的研究現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】ZnO薄膜;應(yīng)用

近幾年，由于短波長(zhǎng)激光二極管 LD激光器在信息領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景，人們對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體的研究產(chǎn)生了極大的興趣。目前已經(jīng)制造出GaN和ZnSe基的藍(lán)光發(fā)光二極管和激光器。藍(lán)色發(fā)光器件的研制成功，使得全色顯示成為可能，而且可以制作出高亮度和高效率的白光發(fā)射器件。用GaN制造的藍(lán)光激光器可代替GaAs紅外激光器，使光盤(pán)的光信息存儲(chǔ)密度大大提高，這將極大的推動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展。但這些藍(lán)光材料也有明顯的不足，ZnSe激光器在受激發(fā)射時(shí)容易因溫度升高而造成缺陷的大量增殖，所以壽命很短，而GaN 材料的制備需要昂貴的設(shè)備，缺少合適的襯底材料，薄膜需要在高溫下生長(zhǎng)，難度較大，找到性質(zhì)與之相近的發(fā)光材料，并克服GaN材料的不足，這個(gè)工作具有十分重要的意義。ZnO 材料無(wú)論是在晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)還是在禁帶寬度上都與 GaN 很相似，對(duì)襯底沒(méi)有苛刻的要求而且很容易成膜。同時(shí)ZnO材料在室溫下具有高的激子束縛能約60meV，在室溫下激子不會(huì)被電離可以獲得有效地激子發(fā)射。這將大大降低室溫下的激射域值。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于ZnO材料的研究正蓬勃發(fā)展，覆蓋面十分廣闊。本文綜述了ZnO材料的主要性質(zhì)，并深入探討了ZnO薄膜的研究現(xiàn)狀。

一、ZnO的性質(zhì)

1、ZnO薄膜的光電性質(zhì)

ZnO 是一種寬禁帶的 n 型半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的光電性質(zhì)。其光電性質(zhì)與化學(xué)組成、能帶結(jié)構(gòu)、氧空位數(shù)量及結(jié)晶程度密切相關(guān)[1]。在適當(dāng)?shù)闹苽錀l件及摻雜下，ZnO 薄膜表現(xiàn)出很好的低阻特征。B. Joseph 等人[2]利用化學(xué)噴霧沉積法在沉積溫度為 450℃ 及真空煅燒的條件下，制得厚度為 175nm 的未摻雜 ZnO薄膜的電阻率僅為 3×10-3Ωm，而 T. Schuler等以 sol-gel 法制備的厚度為174nm的摻 Al 等雜質(zhì)的 ZnO 的電阻率也僅為 5×10-3Ωm。

研究表明，定向透明的 ZnO 薄膜以及 Al、In 等摻雜的 ZnO 薄膜具有優(yōu)異的光電性質(zhì)。S. H. Bae等人利用激光脈沖沉積法在藍(lán)寶石基片上制得的 ZnO 薄膜具有綠-黃色光發(fā)光性質(zhì)。研究表明，ZnO 薄膜的紫外光發(fā)光強(qiáng)度隨結(jié)晶度的增加而增加。當(dāng)沉積的基片溫度為 600℃，氧分壓為 200mTorr 時(shí)，制得高質(zhì)量的 ZnO 薄膜，能發(fā)射強(qiáng)的紫外光。

許多研究表明，通過(guò)摻入 Al 等元素可以對(duì) ZnO 薄膜的禁帶寬度加以調(diào)節(jié)。Silva 在 ZnO 薄膜中摻入適量的 Al，使其禁帶寬度顯著增大，達(dá)4.54±0.05eV。這種 ZnO 薄膜具有較高的光透過(guò)率，在可見(jiàn)光區(qū)，光透過(guò)率接近 90%。而且，在紫外光的照射下，ZnO 薄膜對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率基本保持不變，具有良好的耐幅照性能。

2、ZnO薄膜的壓電性質(zhì)

高密度、定向生長(zhǎng)的 ZnO 薄膜具有良好的壓電性質(zhì)，如高機(jī)電耦合系數(shù)和低介電常數(shù)。N. K. Zayer 等研究表明，利用射頻磁控濺射法在200℃的Si基片上沉積的c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜具有很好的壓電性，其在 0.9GHz 附近的高頻區(qū)表現(xiàn)出很好的壓電轉(zhuǎn)換效應(yīng)及低嵌入損耗（4.9dB）等特征，是制備高頻纖維聲光器件如聲光調(diào)制器等壓電轉(zhuǎn)換器材料。

3、ZnO薄膜的氣敏性質(zhì)

ZnO 薄膜是一種氣敏材料，經(jīng)某些元素?fù)诫s之后對(duì)有害氣體、可燃性氣體、有機(jī)蒸汽等具有很好的敏感性，可制成各種氣敏傳感器。未摻雜的 ZnO 對(duì)還原性、氧化性氣體具有敏感性;摻 Pb、Pt 的 ZnO 對(duì)可燃性氣體具有敏感性;摻Bi2O3、Cr2O3、Y2O3 等的 ZnO 薄膜對(duì) H2 具有敏感性;摻 La2O3、Pb 或 V2O5的 ZnO 對(duì)酒精、丙酮等氣體表現(xiàn)出良好的敏感性，用其制備的傳感器可用于健康檢測(cè)、監(jiān)測(cè)人的血液酒精濃度以及監(jiān)測(cè)大氣中的酒精濃度等等。

4、ZnO薄膜的壓敏性質(zhì)

ZnO 薄膜的壓敏性質(zhì)主要表現(xiàn)在非線性伏安特性上。ZnO 壓敏材料受外加壓力作用時(shí)，存在一個(gè)閾值電壓，即壓敏電壓。當(dāng)外加電壓高于該值時(shí)即進(jìn)入擊穿區(qū)，此時(shí)電壓的微小變化會(huì)引起電流的迅速增大，變化幅度由非線性系數(shù)（ ）來(lái)表征。這一特征使 ZnO 壓敏材料在各種電路的過(guò)流保護(hù)方面已得到了廣泛的應(yīng)用。

由于集成電路的快速發(fā)展，對(duì)壓敏電阻也越來(lái)越要求低壓化和小功率化。用于集成電路過(guò)壓保護(hù)的壓敏電阻的壓敏電壓一般小于 10V。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，具有高 值、壓敏電壓小于 5V 的壓敏電阻變得越來(lái)越需要。因此，ZnO 薄膜的低壓壓敏性質(zhì)引起有關(guān)研究者的關(guān)注。Y. Suzuoki利用射頻濺射法在玻璃基片上沉積了 ZnO/Bi2O3雙層薄膜，壓敏電壓小于 10V，并且具有較大的非線性系數(shù)。N. Horio等利用射頻濺射法制備了 ZnO/Pr6O11雙層壓敏薄膜，膜厚為 600nm/400nm，壓敏電壓為 20V，非線性系數(shù)（α）值為20。這些研究表明，ZnO 薄膜在開(kāi)發(fā)低壓壓敏電阻材料方面具有廣闊的前景。

二、ZnO薄膜的研究現(xiàn)狀

近幾年，由于短波長(zhǎng)激光二極管 LD激光器在信息領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景，人們對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體的研究產(chǎn)生了極大的興趣。目前已經(jīng)制造出GaN和ZnSe基的藍(lán)光發(fā)光二極管和激光器。藍(lán)色發(fā)光器件的研制成功，使得全色顯示成為可能，而且可以制作出高亮度和高效率的白光發(fā)射器件。用GaN制造的藍(lán)光激光器可代替GaAs紅外激光器，使光盤(pán)的光信息存儲(chǔ)密度大大提高，這將極大的推動(dòng)信息技術(shù)的發(fā)展。但這些藍(lán)光材料也有明顯的不足，ZnSe激光器在受激發(fā)射時(shí)容易因溫度升高而造成缺陷的大量增殖，所以壽命很短，而GaN 材料的制備需要昂貴的設(shè)備，缺少合適的襯底材料，薄膜需要在高溫下生長(zhǎng)，難度較大，找到性質(zhì)與之相近的發(fā)光材料，并克服GaN材料的不足，這個(gè)工作具有十分重要的意義。ZnO 材料無(wú)論是在晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)還是在禁帶寬度上都與 GaN 很相似，對(duì)襯底沒(méi)有苛刻的要求而且很容易成膜。同時(shí)ZnO材料在室溫下具有高的激子束縛能約60meV，在室溫下激子不會(huì)被電離可以獲得有效地激子發(fā)射。這將大大降低室溫下的激射域值。

參考文獻(xiàn)：

[1] Nagase T.，Ooie T. and Sakakibara J.，A novel approach to prepare zinc oxide films：excimer laser irradiation of sol-gel derived precursor films [J]，Thin Solid Films，1999，357（2）：151-158.

[2] Joseph Benny，Gopchandran K. G.，Thomas P. V.，et al，A study on the chemical spray deposition of zinc oxide thin films and their structural and electrical properties [J]，Materials Chemistry and Physics，1999，58（1）：71-77.