ZnO薄膜的结构、性能应用和制备

1.引言

ZnO是II- VI 族宽禁带直接带隙化合物半导体, 室温下禁带宽度约为3.3 eV, 激子束缚能为60 meV，可以实现室温下的激子发射。自1997年报道了ZnO薄膜紫外受激发射现象以后，成为半导体材料研究热点，与GaN、SiC 一起被称为第三代半导体材料。但目前ZnO薄膜之所以并没有达到广泛应用的地步，有两个重大难题：一是如何实现ZnO 的高浓度P型掺杂从而制作出p-n结；二是如何制备高质量ZnO薄膜。[1]本文对ZnO薄膜结构、性质、制备等做了部分总结，为制备一些高质量ZnO薄膜及应用提供一些参考。

2.ZnO及ZnO薄膜的结构

ZnO晶体一般情况下为六方纤锌矿结构，具有六方对称性，6mm点群，P63mc空间群，晶格常数a=0.325nm，c=0.521nm。值得注意的是ZnO的纤锌矿结构相当于O原子构成简单六方密堆积，Zn原子则填塞于半数的四面体隙中，而半数四面体隙是空的。因此，ZnO具有相对开放的晶体结构，外来掺杂物容易进入其晶格中而不改变晶体结构，这就为外来掺杂创造了条件。[2]优质的ZnO薄膜具有C轴择优取向生长的众多晶粒，每个晶粒也都是生长良好的六角形纤锌矿结构[3]，根据其外来掺杂的特殊性可具备多种应用特性。

3.ZnO薄膜的性能应用 

3.1.光电特性及应用

ZnO薄膜是直接带隙半导体，具有很好的光电性质，是理想的透明导电材料, 可见光透射率可达90%,电阻率可低至10- 4 Ω•cm。AZO(ZnO:Al)。此外，对紫外光有较为强烈的吸收。

ZnO薄膜的光电特性与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶密度相关。

ZnO在紫外波段有受激发射的特点。ZnO薄膜室温光致发光谱(PL 谱), 本征紫外峰外, 还有黄绿光波段的展宽峰, 这主要是由薄膜中的氧缺陷引起的。随激发电流密度的增加, 黄绿光相对下降, 紫外光相对增强, 谱峰变窄, 发生红移。随着退火温度升高, 黄绿光辐射强度降低, 紫外辐射强度增强。它的发光性质及电子辐射稳定性则使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料，并在紫外光二极管激光器等发光器件领域有潜在的应用前景。尤其是ZnO光泵浦紫外激光的获得和自形成谐振腔的发现更加激起了人们对其研究的热情。

在适当的制备条件及掺杂条件下，ZnO薄膜表现出很好的低阻特征，使其成为一种重要的电极材料，如太阳能电池的电极、液晶元件电极等。用氢等离子处理的ZnO:Ga薄膜也可用于太阳能电池，η=13%。

3.2.压电特性及应用

ZnO薄膜具有优良的压电性能，因具有c轴择优取向，电阻率高，从而有高的声电转换效率；且要求晶粒细小，表面平整，晶体缺陷少，以减少对表面声波的散射，降低损耗，是一种用于体声波尤其是表面声波的理想材料。ZnO压电薄膜在高频滤波器、谐振器、光波导等领域有着广阔的发展前景。这些器件在大存量、高速率光纤通信的波分复用、光纤相位调制、卫星移动通信领域的应用也非常广泛。