寬禁帶半導體ZnO薄膜的制備工藝
氧化鋅(ZnO)是II-VI族寬禁帶直接帶隙化合物半導體,室溫下禁帶寬度約為3.3eV,與GaN、SiC一起被稱為第三代半導體材料。所謂第三代半導體材料是指寬禁帶半導體材料,它們的發光波長短(近紫外),具有耐高溫、抗輻照、制備方法多、毒性小等特點,可廣泛應用于空間技術、光電技術、軍工和高密度存儲等領域;民用方面,可用于新一代半導體照明、大面積顯示等。總之,寬禁帶半導體材料在微電子和光電子領域內有著廣泛的用途。
ZnO 具有較高的激子束縛能(60meV),比室溫熱離化能(26meV)大很多。理論上說,具有大束縛能的激子更容易在室溫下實現高效率的紫外受激輻射。因此,ZnO是適合制作短波光學器件和高頻電子器件等新型器件的材料之一。摻鋁ZnO薄膜(AZO)有較高的電導率和透光率,可作為透明電極。ZnO摻雜Mn、Fe、Co、Cr、V、Ni 等元素能夠產生自旋極化,形成高于室溫的稀磁性透明半導體,在自旋電子器件有重要價值。ZnO還是為數不多的幾種易于實現量子尺寸效應的氧化物半導體材料之一。現在,ZnO的研究方興未艾,作為光電子器件材料的研究成為重點之一。ZnO 與GaN都是六方纖鋅礦結構,其a軸晶格常數為0.325nm,與GaN的晶格失配度小于2%,故GaN和ZnO可以互作襯底來定向外延生長薄膜。
ZnO薄膜的制備方法有多種,大致分為物理法和化學法,可以滿足不同的需求。較新的制備工藝不斷涌現,如激光脈沖沉積法(PLD)、分子束外延法(MBE)等,這些工藝各有自身的優缺點。濺射法可獲得高度c軸取向、表面平整度好、透光率較高的ZnO薄膜,但濺射過程中粒子轟擊薄膜表面易造成損傷,因此不適于生長單晶薄膜或低缺陷ZnO薄膜。金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)法生長的ZnO膜可用作紫外探測器、表面聲波(SAW)等器件等。MOCVD優點是適合各種半導體異質結外延材料的生長,可以大面積、高速率生長出較高質量的ZnO薄膜。其主要缺點是成本高,沉積要求嚴格,未到襯底以前,鋅源與氧過早反應而對ZnO薄膜造成一定污染,降低了薄膜的質量。PLD法具有很多的優點,但對沉積條件的要求高,在摻雜控制、平滑生長多層膜等方面存在一定的困難。MBE法生長的ZnO薄膜的質量最好,若有原位檢測與刻蝕輔助,薄膜質量更有保證。但MBE生長速率很慢,設備昂貴,操作復雜,不適合現代化工業生產的要求。
ZnO薄膜可以沉積在各種襯底上,如石英、Si、GaAs、InP、藍寶石等。制備在透明襯底上的ZnO薄膜,在可見光范圍的透過率達90%,是一種優質的透明半導體材料,可用來制作全透明電子器件或用作透明電極。在透明導電膜方面,摻鋁ZnO薄膜(AZO)有同ITO膜可比擬的光學和電學性質,且強度高,抗輻射,耐高溫,是航天器上太陽能電池板首選的工作材料。在藍寶石襯底上淀積的ZnO薄膜質量最佳,可以觀察到自由激子發光、激子-激子散射和電子空穴等離子態發光等現象。ZnO 薄膜還具有制備簡單、沉積溫度低和電子誘生缺陷密度低等優點。Si 基生長的ZnO 薄膜有希望將光電子器件制作與傳統的硅平面工藝相結合。由于化學穩定性好,良好的機電耦合性,工藝簡單,這使得ZnO 薄膜在近年來受到越來越多的重視,成為化合物半導體領域中的一個研究熱點,基于ZnO的器件正逐步應用到許多領域中。
ZnO器件的應用涉及諸多領域,主要包括太陽能電池、紫外探測器、表面聲波(SAW)器件、發光二極管(LED)和半導體激光器(LD)等。這些器件廣泛用于光電轉換、光電探測、傳感器、光通信、光電顯示、光電儲存和光催化等領域。
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