淺談ZnO薄膜的特性

萬文瓊

【摘 要】ZnO薄膜在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，所以對ZnO薄膜性質(zhì)的研究顯得很重要，本文從電學(xué)性質(zhì)，透光性，發(fā)光性，壓電、氣敏、壓敏性等方面對ZnO薄膜的性質(zhì)進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】ZnO薄膜；電學(xué)性質(zhì)；透光性；發(fā)光性

一、引言

ZnO[1-2]是一種性能優(yōu)越的新型半導(dǎo)體材料，位于Ⅱ-Ⅳ族，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)是其最常見的結(jié)構(gòu)，ZnO薄膜有著高的c軸擇優(yōu)取向生長的特點(diǎn)，還具有較高的熔點(diǎn)、機(jī)電禍合系數(shù)大，激子束縛能高等特點(diǎn)，這些都是薄膜的良好性能，而且來源廣，價格便宜，在制備過程中易于實(shí)現(xiàn)摻雜，無毒，并且對環(huán)境沒有污染，所以說它是一種優(yōu)良的，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的環(huán)保材料。

氧化鋅作為Ⅱ-Ⅵ族化合物，本征缺陷和雜質(zhì)缺陷是ZAO薄膜中存在的兩種點(diǎn)缺陷，晶粒質(zhì)點(diǎn)的有序排列被這些缺陷破壞了，從而對薄膜的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)都有產(chǎn)生了很大的影響。雜質(zhì)缺陷指的是通過加入一些其他的物質(zhì)，從而破壞原有的結(jié)構(gòu)，而在氧化鋅晶粒中形成的缺陷。

鋁是施主雜質(zhì)中最成功的摻雜。摻入Al2O3后，由于鋅原子半徑（RZn=0.083nm）比鋁原子半徑（RAl=0.057nm）大的緣故，鋁原子容易占據(jù)鋅原子的位置。

摻鋁后的ZnO薄膜的缺陷反應(yīng)式：

通過反應(yīng)式我們看出，摻入Al2O3，凈電子增加了，晶粒導(dǎo)電性增強(qiáng)了。

ZAO薄膜為直接帶隙簡并半導(dǎo)體，能隙變化與載流子濃度的1/3次方成正比，摻雜之后光帶隙發(fā)生藍(lán)移。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在摻鋁氧化鋅薄膜中，鋁的含量會對薄膜的性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)Al2O3的含量為2～3（wt）%時，薄膜的導(dǎo)電性最好。鋁摻雜濃度的最佳值可以從薄膜晶體結(jié)構(gòu)方面的理論給予解釋。

ZnO體系中載流子濃度隨鋁摻量的變化公式為：

式中：n為載流子濃度，單位cm-3，NA為阿伏加德羅常數(shù)，Vmol為氧化鋅薄膜摩爾體積，x=NAl/（NZn+NAl）為鋁原子對鋅原子的摻雜百分比。

二、ZnO薄膜的性質(zhì)

（一） ZnO薄膜的電學(xué)性質(zhì)

純的ZnO薄膜是本征半導(dǎo)體，即使有一些電子在一定溫度下能夠獲得一定的能量，使其從價帶躍遷到導(dǎo)帶，使得價帶出現(xiàn)孔穴而導(dǎo)帶增加自由電子，但是這樣產(chǎn)生平衡載流子的幾率是很小的，所以純的沒有摻雜的ZnO薄膜其自由載流子濃度比半導(dǎo)體的金屬載流子以及自由載流子濃度要小的多，電阻率也很高，導(dǎo)電性很差，幾乎不導(dǎo)電。但是如果在ZnO中摻入鋁元素后，ZAO薄膜的電阻率甚至可以降到10-4 ，導(dǎo)電性能就會得到大幅提高。

（二）ZnO薄膜的透光性

在影響透明導(dǎo)電薄膜光吸收邊移動的諸多因素中Burstsin移動是起著最大作用的一個。只有滿足既具有高的載流子濃度，然而載流子的有效質(zhì)量又小的半導(dǎo)體，才能夠發(fā)生顯著的Burstsin移動，如果載流子濃度足夠高，在氧化鋅這種寬禁帶半導(dǎo)體透明導(dǎo)電薄膜中，也會發(fā)生顯著的Burstsin移動。

由于ZnO薄膜的禁帶寬度（約為3.37ev）大于可見光子能量（3.1ev），ZnO薄膜對整個可見光是透明的，其導(dǎo)電性主要依賴于載流子和氧空穴的濃度，本征激發(fā)在可見光的范圍內(nèi)是不會發(fā)生的，所以它在可見光的范圍內(nèi)透射率是很高的。ZnO薄膜的透光性會受到鋁的摻雜量的影響，摻雜濃度越大，薄膜的禁帶寬度就會越寬。當(dāng)載流子濃度足夠高時，半導(dǎo)體變成簡并的，費(fèi)米能級進(jìn)入導(dǎo)帶。導(dǎo)電性和透光率對透明導(dǎo)電薄膜是一對矛盾體，導(dǎo)電性能好，要求薄膜的厚度增加，而厚度的增大必然使得薄膜的光透過性減弱。

（三）ZnO薄膜的發(fā)光性

ZnO具有很好的發(fā)光特性，不同條件下，發(fā)光峰位不盡相同，ZnO的發(fā)光機(jī)制主要包括帶間躍遷發(fā)光、激子復(fù)合發(fā)光以及缺陷或雜質(zhì)能級躍遷發(fā)光。ZnO是直接帶隙半導(dǎo)體，激子束縛能高達(dá)60meV，大約為GaN材料的兩倍，遠(yuǎn)高于室溫下晶格熱動能26meV，因此很容易實(shí)現(xiàn)室溫受激發(fā)射。室溫下，ZnO的紫外發(fā)光峰主要由自由激子復(fù)合發(fā)光引起的。在一定條件下，還會出現(xiàn)激子-激子碰撞發(fā)光和聲子參與的激子發(fā)光等。室溫下光泵激射已經(jīng)在MBE生長的ZnO和MgZnO中觀察到，激射一直保持到了550K以上，所觀察到了激射的能量位置與激子之間的非彈性散射的計算結(jié)果一致，這種碰撞的結(jié)果導(dǎo)致一個激子被激發(fā)到了高能級，并產(chǎn)生一個聲子。由于激子的共振長度要比直接的電子一空穴對大很多，同時激子復(fù)合所導(dǎo)致的光學(xué)增益的能量分布也要比處于帶尾的自由載流子的復(fù)合要窄得多，因此基于激子效應(yīng)所導(dǎo)致的激射過程將比電子空穴等離子體具有更大的增益和更低的閡值，這就使ZnO結(jié)構(gòu)材料特別適合于發(fā)展基于激子效應(yīng)的光電器件。

（四）ZnO薄膜的壓電、氣敏、壓敏性

ZnO在壓電、氣敏、壓敏等方面也有重要的應(yīng)用。（002）方向擇優(yōu)生長的ZnO薄膜是一種具有良好壓電性質(zhì)的材料。利用射頻磁控濺射法制備的c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜在高頻區(qū)表現(xiàn)出很好的電聲轉(zhuǎn)換效應(yīng)及低嵌入損耗等特征。利用ZnO的壓電性質(zhì)，可以制備出高頻纖維聲光器件，不同摻雜的ZnO薄膜對特定的氣體敏感，例如未摻雜的ZnO薄膜對還原性、氧化性氣體具有敏感性；摻Bi2O3、Cr2O3、Y2O3等的ZnO薄膜對H2具有敏感性；而摻La2O3、Pd、V2O5的ZnO薄膜對酒精、丙酮等氣體表現(xiàn)出良好敏感性。利用ZnO的氣敏性質(zhì)制備的傳感器可用于健康檢測、監(jiān)測人的血液酒精濃度以及監(jiān)測大氣中的酒精濃度等。ZnO壓敏材料受外加電壓作用時，存在一個閩值電壓，即壓敏電壓，當(dāng)外加電壓高于該值時即進(jìn)入擊穿區(qū)，此時電壓的微小變化即會引起電流的迅速增大，這一特征使ZnO壓敏材料在各種電路的過流保護(hù)方面已得到了廣泛的應(yīng)用。

由于ZnO薄膜有著上述的一些性質(zhì)，使得它在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。在光電顯示領(lǐng)域中它是選做透明電極的良好材料；它作為一種n型半導(dǎo)體它與一種適宜的p型半導(dǎo)體組合在一起時，在太陽能光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中可作為一種異質(zhì)結(jié)；由于它的電阻率會隨著表面吸附的氣體濃度的變化而改變，因此可以用來制作表面型氣敏原件；還可以被制成氣敏元件、各種壓電、壓光、電聲與聲光器件。

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