ZnOZnO 薄膜的研究概况薄膜的研究概况

方 亮方 亮

重庆大学数理学院

2004 年 4 月 20 日

主要内容主要内容•ZnOZnO 研究热潮的兴起研究热潮的兴起•ZnOZnO 的结构的结构•ZnOZnO 的制备的制备•ZnOZnO 的光电子特性的光电子特性•ZnOZnO 的应用前景的应用前景•ZnOZnO 今后的研究方向今后的研究方向

ZnOZnO 研究热潮的兴起研究热潮的兴起• 背景：近年来，由于光电子技术、信息技

术、光学精密测量、航空航天以及国防等高技术领域对短波长发光器件的持续增长的需求，刺激了世界范围内对新型发光材料的广泛关注，特别是对宽带隙半导体新型发光材料的研究成为了当前的研究热点之一。

ZnOZnO• ZnO 作为光电信息功能材料的研究是 1997

年后刚刚兴起的 , 目前已成为非常热门的前沿课题。在 1997 年初日本和香港科学家首次报道了氧化锌薄膜室温下的近紫外受激光发射后 , 《 Science 》第 276 期立即以“ W ill UV L asers Beat the B lues?”为题对此作了专门报道 , 称它是“一项伟大的工作”。（ S.Robert R. Will UV lasers beat blues? Science, 1997, 276:895 ）

• 99 年 10 月，在美国召开了首届 ZnO 专题国际研讨会，会议认为“目前 ZnO 的研究如同 Si 、 Ge 的初期研究”。世界上逐渐掀起了 ZnO 薄膜研究开发应用的热潮 .

• 2003 年 1 月在海口市召开国内首届全国氧化锌学术讨论会。

• 近两年来 , 每年都有几百篇有关 ZnO 的文章问世 , 对 ZnO 的光电特性进行了广泛和深入的研究

ZnOZnO 的结构的结构• ZnO 是一种宽禁带 II-VI 族化合物半导体 , 室温下

是纤锌矿结构 ( 六方晶体结构 ) ，每个 Zn 原子与四个 O( 氧 ) 原子按四面体排布。

图 　纤锌矿 ZnO 晶体结构

部分半导体的带隙能量与晶格常数部分半导体的带隙能量与晶格常数

可见， ZnO 的禁带宽度和晶格常数与 GaN 非常相近。

ZnOZnO 薄膜的典型二维薄膜的典型二维 AFMAFM 图像图像

ZnOZnO 的特点的特点• 直接带宽禁带半导体 , 室温下的禁带宽度 E g = 3. 3

6eV , 与 GaN (E g= 3. 4 eV ) 相近，而激子结合能(60 m eV ) 却比 GaN (21 m eV ) 高出许多 , 因此产生室温短波长发光的条件更加优越 ;

• ZnO 薄膜可以在低于 500 ℃ 温度下获得 , 比 GaN 低近 1 倍，减少材料在高温制备时产生的杂质和缺陷 , 同时也大大简化了制备工艺 ;

• ZnO 来源丰富 , 价格低廉 , 又具有很高的热稳定性和化学稳定性。

• 这些优点使 ZnO 成为一种潜在的、用途广泛的新一代短波长光电信息功能材料。

ZnOZnO 的制备的制备• 溅射法 (包括电子束溅射、磁控溅射、射频溅射、直流溅射等 )；

• 喷雾热分解；• 激光脉冲沉积 (PLD)；• 分子束外延 (MBE)；• 金属有机物化学气相沉积 (MOCVD) ；• 溶胶 -凝胶 (Sol-Gel) 等• 目前，前两种方法应用较为广泛和成熟。

而 PLD 、 MBE 和 MOCVD 生长的 ZnO 薄膜质量较高。

溅射方法的简单实验装置溅射方法的简单实验装置

溅射法溅射法• Zn 或 ZnO 作靶材 , A r 与 O 2 的混合气

体作为反应气体。• A r 电离成高能粒子束轰击靶材 , 产生的溅

射原子到达衬底上与 O 2 进行反应 ,从而形成 ZnO 薄膜。

• 溅射原子的能量较高 , 因而可制备出结构较为致密、均一、近似单晶的 ZnO 薄膜。

• 目前磁控溅射普遍使用。

喷射热解法喷射热解法• 将硝酸锌或醋酸锌的有机溶液或水溶液以压缩气体为载体 , 喷射沉积到加热的衬底上 , 衬底上的溶液在高温下分解形成 ZnO 薄膜。

• 优点：无需高真空的环境 ,；• 缺点：薄膜的均匀性及致密性欠佳。

脉冲激光沉积方法脉冲激光沉积方法 (PLD)(PLD)

• 脉冲激光束经过聚焦之后通过窗口进入真空室照射加热 ZnO 靶，使其蒸发 ,蒸发物进入与 ZnO 靶垂直的等离子体管中后沉积在衬底上。

• 沉积速率较高 , 但薄膜中易生成一些小颗粒。在控制掺杂、生长平滑的多层薄膜和厚度均匀性等方面都比较困难 , 因此 ,较难进一步提高薄膜的质量。

脉冲激光沉积的实验装置脉冲激光沉积的实验装置

ZnOZnO 的光学性质的光学性质

ZnOZnO 薄膜室温薄膜室温 PLPL 谱和谱和 CLCL谱 谱

典型的典型的 ZnO ZnO 薄膜室温薄膜室温 CLCL谱 谱

ZnOZnO 的的 PLPL 光谱光谱

不同激发强度下不同激发强度下 ZnO ZnO 薄膜的激光发射光谱薄膜的激光发射光谱

ZnO ZnO 的应用 的应用 • 制作紫外光探测器 • 可与 GaN 互作缓冲层• 用于光电器件的单片集成• 制作表面声波器件

今后的研究方向 今后的研究方向

• ZnO 的 p 型掺杂和 PN 结的制作• 缺陷行为和载流子输运特性的研究• 利用 ZnO 制作紫外半导体激光器• 高质量 ZnO 薄膜的生长和现有器件的改进

结束语结束语• ZnO 是一种宽禁带直接带隙半导体材料 ,

与Ⅲ -Ⅴ族氮化物和Ⅱ -Ⅵ族硒化物相比 ,有很高的热稳定性和较好的化学稳定性 ,具有优良的晶格、光电和压电特性。

• 作为一种新型的半导体材料 ,ZnO 薄膜在许多方面还值得进一步探讨 , 如 : ZnO 薄膜的紫外受激辐射 ,ZnO 掺杂和混晶的优化以及 p-ZnO 的掺杂等。