ZnO薄膜的研究概况

ZnO薄膜的研究概况方亮重庆大学数理学院2004年4月20日主要内容•ZnO研究热潮的兴起•ZnO的结构•ZnO的制备•ZnO的光电子特性•ZnO的应用前景•ZnO今后的研究方向ZnO研究热潮的兴起•背景：近年来，由于光电子技术、信息技术、光学精密测量、航空航天以及国防等高技术领域对短波长发光器件的持续增长的需求，刺激了世界范围内对新型发光材料的广泛关注，特别是对宽带隙半导体新型发光材料的研究成为了当前的研究热点之一。ZnO•ZnO作为光电信息功能材料的研究是1997年后刚刚兴起的,目前已成为非常热门的前沿课题。在1997年初日本和香港科学家首次报道了氧化锌薄膜室温下的近紫外受激光发射后,《Science》第276期立即以“WillUVLasersBeattheBlues?”为题对此作了专门报道,称它是“一项伟大的工作”。（S.RobertR.WillUVlasersbeatblues?Science,1997,276:895）•99年10月，在美国召开了首届ZnO专题国际研讨会，会议认为“目前ZnO的研究如同Si、Ge的初期研究”。世界上逐渐掀起了ZnO薄膜研究开发应用的热潮.•2003年1月在海口市召开国内首届全国氧化锌学术讨论会。•近两年来,每年都有几百篇有关ZnO的文章问世,对ZnO的光电特性进行了广泛和深入的研究ZnO的结构•ZnO是一种宽禁带II-VI族化合物半导体,室温下是纤锌矿结构(六方晶体结构)，每个Zn原子与四个O(氧)原子按四面体排布。图纤锌矿ZnO晶体结构部分半导体的带隙能量与晶格常数可见，ZnO的禁带宽度和晶格常数与GaN非常相近。ZnO薄膜的典型二维AFM图像ZnO的特点•直接带宽禁带半导体,室温下的禁带宽度Eg=3.36eV,与GaN(Eg=3.4eV)相近，而激子结合能(60meV)却比GaN(21meV)高出许多,因此产生室温短波长发光的条件更加优越;•ZnO薄膜可以在低于500℃温度下获得,比GaN低近1倍，减少材料在高温制备时产生的杂质和缺陷,同时也大大简化了制备工艺;•ZnO来源丰富,价格低廉,又具有很高的热稳定性和化学稳定性。•这些优点使ZnO成为一种潜在的、用途广泛的新一代短波长光电信息功能材料。ZnO的制备•溅射法(包括电子束溅射、磁控溅射、射频溅射、直流溅射等)；•喷雾热分解；•激光脉冲沉积(PLD)；•分子束外延(MBE)；•金属有机物化学气相沉积(MOCVD)；•溶胶-凝胶(Sol-Gel)等•目前，前两种方法应用较为广泛和成熟。而PLD、MBE和MOCVD生长的ZnO薄膜质量较高。溅射方法的简单实验装置溅射法•Zn或ZnO作靶材,Ar与O2的混合气体作为反应气体。•Ar电离成高能粒子束轰击靶材,产生的溅射原子到达衬底上与O2进行反应,从而形成ZnO薄膜。•溅射原子的能量较高,因而可制备出结构较为致密、均一、近似单晶的ZnO薄膜。•目前磁控溅射普遍使用。喷射热解法•将硝酸锌或醋酸锌的有机溶液或水溶液以压缩气体为载体,喷射沉积到加热的衬底上,衬底上的溶液在高温下分解形成ZnO薄膜。•优点：无需高真空的环境,；•缺点：薄膜的均匀性及致密性欠佳。脉冲激光沉积方法(PLD)•脉冲激光束经过聚焦之后通过窗口进入真空室照射加热ZnO靶，使其蒸发,蒸发物进入与ZnO靶垂直的等离子体管中后沉积在衬底上。•沉积速率较高,但薄膜中易生成一些小颗粒。在控制掺杂、生长平滑的多层薄膜和厚度均匀性等方面都比较困难,因此,较难进一步提高薄膜的质量。脉冲激光沉积的实验装置ZnO的光学性质ZnO薄膜室温PL谱和CL谱典型的ZnO薄膜室温CL谱ZnO的PL光谱不同激发强度下ZnO薄膜的激光发射光谱ZnO的应用•制作紫外光探测器•可与GaN互作缓冲层•用于光电器件的单片集成•制作表面声波器件今后的研究方向•ZnO的p型掺杂和PN结的制作•缺陷行为和载流子输运特性的研究•利用ZnO制作紫外半导体激光器•高质量ZnO薄膜的生长和现有器件的改进结束语•ZnO是一种宽禁带直接带隙半导体材料,与Ⅲ-Ⅴ族氮化物和Ⅱ-Ⅵ族硒化物相比,有很高的热稳定性和较好的化学稳定性,具有优良的晶格、光电和压电特性。•作为一种新型的半导体材料,ZnO薄膜在许多方面还值得进一步探讨,如:ZnO薄膜的紫外受激辐射,ZnO掺杂和混晶的优化以及p-ZnO的掺杂等。