氧化锌薄膜材料研究

肖 扬（梅河口第五中学,吉林 梅河口 135000）

氧化锌薄膜材料研究

肖 扬
（梅河口第五中学,吉林 梅河口 135000）

摘 要：1997年发现室温紫外激光受激发射现象以来，ZnO 就逐渐成为宽带隙光电材料领域的热点之一。ZnO 为Ⅱ-Ⅵ族化合物, 是一种宽禁带直接带隙半导体材料, 室温下禁带宽度为3.37 eV，可见光区透过率达80%以上。本文总结了氧化锌薄膜的制备方法、发光原理等方面的研究进展，展望了氧化锌研究的热点应用。

关键词：ZnO；薄膜；制备方法

1　ZnO薄膜发光机理

ZnO薄膜的结构与缺陷决定了ZnO薄膜的发光特性。氧空位、锌空位、间隙位锌的存在在ZnO禁带中形成各种杂质能级，有深能级也有浅能级，这些能级的存在使ZnO除了380nm处的发光峰之外还存在其他波长的发光峰。ZnO在可见光及紫外范围内的可能跃迁有很多，其中在可见光范围内的红光的发射主要与氧空位和间隙位锌有关；绿光的发射主要与氧空位、锌空位、间隙位锌有关；蓝光可能只与锌空位、间隙位锌有关。

2　ZnO薄膜的制备方法

近年来, ZnO 基薄膜的研究广泛开展，制备方法种类繁多， 主要有磁控溅射、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积( PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶( Sol-Gel)、水热法等。其中水热法是生长ZnO 体单晶的重要方法, 目前应用较成熟，但此法易使ZnO 晶体中引入金属杂质, 而且生长周期相对较长、高温高压存在一定危险性。溅射法价格低、方法简单、制备温度低，其缺点是不易进行掺杂，而且产物发光性质不理想。分子束外延法生长的ZnO 薄膜的可以精确地控制生长参数,而且制备的ZnO 薄膜质量较高，但此法的生长速率较慢, 周期长的特点限制了其在实用器件制备方面的产业化应用。化学气相沉积法制备的ZnO薄膜质量较好,而且它能够制备大尺寸的薄膜，可以实现产业化生产。溶胶-凝胶法是采用提拉或旋涂的方法将含锌的溶胶均匀涂于基片上来制备ZnO薄膜, 其特点是容易实现多元素掺杂, 是目前国内外产业化制备ZnO薄膜使用较多的方法，但此法在后期处理时，由于溶剂的蒸发容易使薄膜表面留下气孔。

3　掺杂对ZnO薄膜光学特性的影响

为了获得高发光效率的ZnO基发光二极管和激光二极管，目前，人们对n型ZnO、p型ZnO的制备和发光进行了广泛的研究。

由于ZnO存在严重的自补偿效应，大量的Zn空隙和O空位等本征缺陷的存在，使ZnO属于本征n型半导体材料。目前，本征n 型ZnO载流子浓度达1.0×1018cm-3，迁移率为0.25cm2v-1s-1。

通过掺杂能够改变ZnO的许多特性，其中包括物理特性，光学特性，磁性等。不同的掺杂对其影响一般不同，如晶格常数的变化、禁带宽度的变化、杂质能级的变化、载流子浓度的变化、磁性变化等。为了尽量不破坏ZnO的单相结构，掺杂都要选用晶格常数、原子半径、价电子结构等基本特性与Zn相近的相关元素进行。目前，通过Al、In、Ge、Mg等元素的掺杂，已经制备出了性能良好的n型ZnO薄膜。与此相反，p型ZnO半导体的制备却比较困难，普遍存在稳定性、可重复性、载流子浓度低等问题，因而，许多研究人员一直在不懈努力，目前做的比较好的是日本。目前p型ZnO薄膜主要采取掺Ag、Cu、N以及多种元素共掺等方法实现，其中N掺杂比较理想。Z.Q.Ma通过Na、Mg共掺并进行退火处理，获得了比较稳定的p型半导体，电阻率数量级为102Ω，载流子浓度数量级为1016cm-3。Ningyi Yuan 采用N-In 共掺并做退火处理得到电阻率为67.5KΩ的p型半导体，但是稳定性较差，退火温度升高时转变为n型。此外，在ZnO半导体薄膜材料中掺入磁性过渡金属离子，可使其成为稀磁半导体，因此稀磁ZnO半导体材料研究已受到广泛关注，致使目前对ZnO进行Mn、Co、Se等杂质的掺杂成为研究热点。由于这些磁性杂质的存在会替代Zn原子，使原本不具有磁性的ZnO半导体获得磁性，而且材料的晶格常数、能带结构等性质可由磁性离子的摩尔组分调节，因而使ZnO半导体材料的应用前景进一步扩大。文献《掺锆氧化锌透明导电薄膜的制备及特性研究》中刘汉法等人利用射频磁控溅射法在室温水冷玻璃衬底上成功地制备出了掺锆氧化锌(ZnO∶Zr)透明导电薄膜。研究了溅射功率对ZnO∶Zr薄膜结构、形貌和光电性能的影响。《氧化锌基红色稀土发光材料的制备研究》中康明等人以氧化锌为主要原料，采用湿法制备前驱物，在800℃高温煅烧前驱物制备了氧化锌掺铕和锂红色稀土发光材料。通过荧光光谱分析，发现595nm和612nm两个发射波长。XRD分析发现两种粒子绝大部分进入了氧化锌晶格中。

4　结语

目前制备表面形貌好，光学质量高，具有磁性，电阻率低，载流子浓度高的ZnO薄膜或掺杂ZnO薄膜仍然是相关领域研究的热点，与此同时，制备成本低、能够大面积生长等一些考虑工业应用前景的因素也是不容忽视的。

见于前面所述ZnO的优异的综合性能，使其潜在的应用领域相当广泛。比如，通过适当的掺杂,产物表现出很好的低阻特征，这一性能使得ZnO 成为一种重要的电极材料, 可以用于太阳能电池的电极、液晶元件电极等；ZnO优异的发光性质及电子辐射稳定性使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器备选材料, 而且在紫外光二极管、激光器等发光器件领域具有潜在的应用空间；在磁性应用方面，由于稀磁半导体既具有现有半导体的光、电性质，又兼具良好的磁性，这种性能的半导体材料可有望开发在制造节能存储器、高感度磁传感器、高集成度存储器、光集成电路等方面的应用。

参考文献：

[1]Ningyi Yuan.Post-annealing influence on properties of N-In codoped ZnO thin films prepared by ion beam enhanced deposition method[J].AppliedSurfaceScience,2007,253.

[2]周勋，沈益斌.ZnO基稀磁半导体材料研究进展[J].材料导报,2007,12,21(12).

[3]王晓飞,吴雪梅.Zn1 - xCuxO 薄膜的结构和光学性质[J].功能材料,2008,2(39).