ZnO薄膜材料

ZnO薄膜材料研究进展制备方法比较应用基本性质简介ZnO薄膜简介随着半导体技术的发展，ZnO作为第三代半导体材料，引起了人们的广泛关注。其具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小等特点，可以制作蓝绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。图1几种宽禁带半导体材料的比较材料ZnOGaNZnSeZnS晶体结构六方六方闪锌矿闪锌矿禁带宽度3.37eV3.4eV2.7eV3.6eV激子束缚能60meV25meV22meV40meVa(nm)0.3250.3190.5670.541c(nm)0.5200.519-------------熔点1970170015201850简介•ZnO材料的优点：•ZnO薄膜的生长温度低于700℃，有利于降低对设备的要求和能耗。•ZnO薄膜在室温下有较低的闲置功率，有较高的能量转换效率。•ZnO有较高的激子复合能，制备出较好性能的探测器、LED和LD等光电子器件。•ZnO有很好的成膜特性，常用的薄膜技术都能在较低的温度下制备出有较好晶体质量的ZnO薄膜。•ZnO薄膜的原料丰富、成本低、无毒、对环境无污染，是环保型材料。ZnO薄膜研究进展•1996年全球第一篇关于“ZnO微晶结构薄膜在室温下光泵浦紫外受激发射”的报道公布。•1997年报道了一种新型的ZnO半导体激光器——能够产生迄今为止最短波长的紫外光辐射。•1998年，Z.K.Tang等人的研究小组报道的ZnO薄膜在3.0μJ/cm2下激子增益为320/cm，高于同条件下GaN的激子增益，在LD等领域显示出很大的开发应用潜力。•2000年C.Look等人从理论上研究了解决p型ZnO的方案。•2001年，R.Ryu和X.L.Guo等人报道了ZnO材料p-n结和ZnO发光管的原形器件。ZnO的基本性质•1、ZnO的晶体结构•ZnO有三种不同的晶体结构：立方岩盐矿结构（a）、闪锌矿结构（b）、六方纤锌矿结构（c）。其中六方纤锌矿结构是ZnO的热稳定相。ZnO的基本性质表1六角纤锌矿Zn0的基本属性（室温）特性数值特性数值稳定相纤锌矿结构禁带宽度/eV3,36a0/nm0.32495本征载流子浓度/cm-3小于104c0/nm0.52069激子束缚能/meV60a0/c01.602电子有效质量0.24折射系数2.008（a0），2.029（c0）硬度（莫氏）5熔点/℃1975介电常数8.5密度/（g.cm-3)5.606热膨胀系数（ppm/℃）3.9热导率0.6（a0）,1-1.2（c0）电子亲和能（ev）3.0压电常数8.656导电类型N型ZnO的基本性质•2、ZnO的光学性质•ZnO是直接带隙半导体，在可见光波段的透射率很高（达到90%）。图2ZnO薄膜的透射光谱•ZnO的光致发光谱分为可见发光和紫外发光两个部分。ZnO的基本性质图3ZnO薄膜的荧光光谱ZnO的基本性质•3、ZnO的电学性质本征ZnO薄膜由于存在O空位和Zn间隙，呈现n型导电特性，载流子浓度约为1017•cm-3,电阻率高于106Ω•cm。通过掺杂ⅢA族元素可以得到性能良好的n型薄膜，载流子浓度约为1019-1020•cm-3,电阻率高于10-5–10-3Ω•cm.p型薄膜的制备则具有很大的难度，目前仍然是研究的热点之一。ZnO的基本性质图4ZnO薄膜低温(20K)荧光光谱(PL)图4为n-ZnO和p-ZnO的低温(20K)荧光光谱(PL)。ZnO的紧束缚激子带边发射峰分别位于3.36eV和3.32eV，由于n型ZnO激子能量为60meV，由此可以得到掺砷的p-ZnO激子能量为1OOmeV，砷在禁带中引入的能级很浅，因而有可能实现p型ZnO的重掺。ZnO的基本性质图5p-ZnO:As/n-ZnO:Al的I一v特性曲线ZnO同质结的阈值电压很低，为0.1-1.OV。这能够使以ZnO基的光电子器件有较低的功耗和较长的寿命。ZnO的基本性质•5.ZnO薄膜的压敏特性•高密度、定向生长的ZnO薄膜是一种具有良好压电性质的材料。表2ZnO薄膜的压电性能表ZnO薄膜制备方法的比较制备方法优点缺点分子束外延法精确控制薄膜生长条件，工艺可靠性高设备昂贵，设备日常维护费用高，真空度要求高，薄膜生长速率慢等MOCVD易实施多种元素的掺杂，灵活调整薄膜的组分生长速率较快，反应难以控制激光脉冲沉积装置简单，生长效率高,各种生长参数独立可调,易于实现多层膜生长结晶质量易受工作气压影响喷雾热分解法不需要真空设备，工艺简单经济，易于掺杂ZnO薄膜的应用•1、短波长光电子器件•ZnO具备了发射蓝光或紫光的优越条件，可以开发出紫光、绿光、蓝光等多种发光器件。•在室温下高质量的ZnO薄膜紫外激射的实现，使其成为一种理想的短波长发光器件材料。ZnO薄膜的应用•2、透明导电膜•ZnO在可见光区域有着非常高的透过率，因此可以用它生产透明导电薄膜，其优点是成本低、无毒、稳定性高、易大规模生产，主要用于太阳电池。ZnO薄膜的应用•3、表面声波器件•ZnO薄膜的高电阻率与单一的C轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数，可用作各种压电、压光、电声与声光器件，是一种非常理想的制备表面声波器件的材料。•在玻璃上长ZnO，制备出的SAW滤波器，非常适合于电视的UHF和VHF频段，因为它有很高的效率、很低的成本。ZnO薄膜的应用•4.气敏传感器•ZnO是一种气体敏感材料，其经某些元素掺杂之后对有害性气体、可燃气体、有机蒸汽等具有很好的敏感性，可制成各种气敏传感器。未掺杂的ZnO对还原性、氧化性气体具有敏感性。ZnO薄膜的应用•5、建筑材料•ZnO薄膜还可用作玻璃窗的热反射涂层，以增加建筑物的能量利用率;用作紫外光阻挡层可有效防止有害紫外线辐射。谢谢！