淺談半導(dǎo)體材料制備

【摘要】 文章闡述了一些制備ZnO納米半導(dǎo)體材料的常用技術(shù)，如模板制備法、物理氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延、金屬有機(jī)化合物氣相沉積，并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 ZnO 模板制備法 PVD PLD 金屬有機(jī)化合物氣相沉積

隨著科學(xué)和商業(yè)的飛速發(fā)展，人們對納米半導(dǎo)體材料有了更加深入的認(rèn)識，對其在光學(xué)器件和電學(xué)器件方面的應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣。最初人們在研究ZnSe和GaN等短波長納米半導(dǎo)體材料方面取得了一定的進(jìn)展， GaN制備藍(lán)綠光LED的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，由于ZnSe穩(wěn)定性較差，一直使之無法商品化生產(chǎn)。在長期的對寬帶半導(dǎo)體材料的科學(xué)研究中，人們發(fā)現(xiàn)ZnO半導(dǎo)體納米材料具有更多的優(yōu)點(diǎn)。ZnO是一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體氧化物材料，室溫下能帶寬度為3.37eV，略低于GaN的3.39eV，其激子束縛能（60 meV）遠(yuǎn)大于GaN（25 meV）的激子束縛能。由于納米ZnO在紫外波段有較強(qiáng)的激子躍遷發(fā)光特性，所以在短波長光子學(xué)器件領(lǐng)域有較廣的應(yīng)用前景。此外，ZnO納米半導(dǎo)體材料還可沉積在除Si以外的多種襯底上，如玻璃、Al2O3、GaAs等，并在 0.4-2μm 的波長范圍內(nèi)透明，對器件相關(guān)電路的單片集成有很大幫助，在光電集成器件中具有很大的潛力。本文闡述了近年來ZnO納米半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)，并對這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

ZnO 是一種應(yīng)用較廣的半導(dǎo)體材料，在很多光學(xué)器件和電學(xué)器件中有很廣泛的應(yīng)用，由此也產(chǎn)生了多種納米半導(dǎo)體器件的制備方法，主要有以下幾種：

1. 模板制備法

模板制備法是一種用化學(xué)方法進(jìn)行納米材料制備的方法，被廣泛地用來合成各種各樣的納米棒、納米線、納米管等。此種方法使分散的納米粒子在已做好的納米模板中成核和生長，因此，納米模板的尺寸和形狀決定了納米產(chǎn)物的外部特征。科學(xué)家們已經(jīng)利用孔徑為40 nm和20 nm左右的多孔氧化鋁模板得到了高度有序的ZnO納米線。鄭華均等人用電化學(xué)陽極氧化-化學(xué)溶蝕技術(shù)制備出了一種新型鋁基納米點(diǎn)陣模板，此模板由無數(shù)納米凹點(diǎn)和凸點(diǎn)構(gòu)成，并在此模板上沉積出ZnO納米薄膜。此外，李長全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸鈉為模板制備出ZnO納米管。該方法優(yōu)點(diǎn)：較容易控制納米產(chǎn)物的尺寸、形狀。缺點(diǎn)：需要模板有較高的質(zhì)量。

2. 物理氣相沉積（PVD）

物理氣相沉積可以用來制備一維ZnO納米線和二維ZnO納米薄膜，原理是通過對含Zn材料進(jìn)行濺射、蒸發(fā)或電離等過程，產(chǎn)生Zn粒子并與反應(yīng)氣體中的O反應(yīng)，生成ZnO化合物，在襯底表面沉積。物理氣象沉積技術(shù)已經(jīng)演化出三種不同的方法，它們是真空蒸發(fā)法，真空濺射法和離子鍍，離子鍍是目前應(yīng)用較廣的。離子鍍是人們在實(shí)踐中獲得的一種新技術(shù)，將真空蒸發(fā)法和濺射法結(jié)合起來，在高真空環(huán)境中加熱材料使之汽化后通入氫氣，在基體相對于材料間加負(fù)高壓，產(chǎn)生輝光放電，通過電場作用使大量被電離的材料的正離子射向負(fù)高壓的襯底，進(jìn)行沉積。張琦鋒、孫暉等人用氣相沉積方法已經(jīng)制備出了一維ZnO納米半導(dǎo)體材料。優(yōu)點(diǎn)：所得到的納米產(chǎn)物純度高，污染小；薄膜厚度易于控制；材料不受限制。但是這種方法對真空度要求較高。

3. 脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition）

脈沖激光沉積也稱PLD，常用于納米薄膜的制備。其工作原理就是用特定波長和功率的激光脈沖聚焦光束，濺射真空狀態(tài)下特定氣壓中的加熱靶材，激光束與靶材相互作用而產(chǎn)生的粒子團(tuán)噴射到襯底表面，通過控制氣流速度控制材料在襯底表面的沉積速度。牛海軍等人用一種新穎的垂直靶向脈沖激光沉積（VTPLD）方法，在常溫常壓空氣環(huán)境下，在玻璃基底上得到ZnO納米薄膜。該方法優(yōu)點(diǎn)：制備的薄膜物質(zhì)比例與靶材相同；實(shí)驗(yàn)控制條件較少，易于控制；襯底溫度要求較低。缺點(diǎn)：薄膜雜志較多；單純?yōu)R射產(chǎn)生的粒子團(tuán)密度不易控制，因此無法大面積生長均勻的薄膜。

4. 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）

分子束外延（MBE）技術(shù)可以制備高質(zhì)量薄膜。MBE技術(shù)可以在特定超高真空條件下較為精確的控制分子束強(qiáng)度，把分子束入射到被加熱的基片上，可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。分子束外延設(shè)備主要包括超高真空系統(tǒng)、分子束源、樣品架、四極質(zhì)譜計(jì)QMS和反射式高能電子衍射裝置RHEED。周映雪等人利用分子束外延（MBE） 和氧等離子體源輔助MBE方法分別在三種不同襯底硅（100）、砷化鎵（100）和藍(lán)寶石 （0001）上先制備合適的緩沖層，然后在緩沖層上得到外延生長的ZnO薄膜。該方法優(yōu)點(diǎn)：生長速度極慢，每秒1～10；薄膜可控性較強(qiáng)；外延生長所需溫度較低。缺點(diǎn)：真空環(huán)境要求較高；無法大量生產(chǎn)。目前常用于生長高質(zhì)量的ZnO薄膜分子束外延有兩種：一種是等離子增強(qiáng)，另一種是激光，兩種方法均已生長出高質(zhì)量的ZnO 薄膜。

除上述納米材料的常用制備技術(shù)，還有很多其他方法。隨著科技的發(fā)展和高質(zhì)量納米產(chǎn)品的需求，人們對納米半導(dǎo)體材料的研究會更加深入，對其生長機(jī)理理解的更為透徹，隨之納米半導(dǎo)體材料制備技術(shù)將不斷地發(fā)展和完善。高質(zhì)量納米半導(dǎo)體產(chǎn)品會不斷出現(xiàn)，并被廣泛的應(yīng)用于人們的生活中。

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（作者單位：長江大學(xué)物理學(xué)院）