ZnO薄膜的制備及應(yīng)用

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1、ZnO薄膜的制備及應(yīng)用摘要ZnO薄膜是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ陌雽?dǎo)體材料，本文簡要介紹了ZnO薄膜的優(yōu)良性能，敘述了p型ZnO薄膜的制備工藝并對各種工藝的原理和特點進(jìn)行了分析，闡述了ZnO薄膜在太陽能電池、發(fā)光器件等發(fā)面的應(yīng)用及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞ZnO薄膜制備應(yīng)用SynthesisandApplicationofZnOthinfilmsAbstractZnOthinfilms,asakindofsemiconductormaterials,hasextremelydevelopmentpotential.Thepaperbrieflyintroducest

2、heexcellentperformanceofZnOthinfilm,anddescribesthep-typeZnOthinfilm’spreparationprocess,theprinciplesandthecharacteristics.Italsoexplainsapplicationsanddevelopmenttrendsinthesolarbattery,light-emittingdevices,andotherfields.Keywords:ZnOthinfilms,synthesis,application1.引言自日本和香

3、港科學(xué)家于1997年首次報道了ZnO薄膜可實現(xiàn)室溫近紫外受激光發(fā)射后,ZnO逐漸成為當(dāng)今半導(dǎo)體材料研究的熱點。ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，一般情況下ZnO是六角纖鋅礦型。室溫下禁帶寬度為3.37eV，使其具有紫外截止特性，而它的激子結(jié)合能高達(dá)60meV，可以用來制造短波長發(fā)光材料。ZnO具有高的導(dǎo)電性，高的化學(xué)穩(wěn)定性以及耐高溫性質(zhì)，并且來源豐富，價格低廉。因此，ZnO薄膜是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ幕衔锇雽?dǎo)體材料。本文主要綜述了脈沖激光沉積、分子束外延技術(shù)等5種方法制備p型ZnO薄膜，以及ZnO薄膜的主要應(yīng)用。2.p型ZnO薄膜的

4、制備方法由于ZnO中存在許多本征施主缺陷,如鋅間隙和氧空位會產(chǎn)生高度自補償效應(yīng)，且ZnO中受主的固溶度很低,能級深,難以離化，而難以實現(xiàn)p型ZnO薄膜的制備。最近，國內(nèi)外學(xué)者已取得一定研究成果。2.1脈沖激光沉積法（PLD）脈沖激光沉積技術(shù)是目前應(yīng)用較多的制膜技術(shù)。整個過程通常分為三個階段，首先激光與靶材相互作用產(chǎn)生等離子體，并形成一個具有致密核心的明亮的等離子體火焰；接著在靶面法線方向形成大的溫度和壓力梯度,等離子體沿該方向向外作等溫(激光作用時)和絕熱(激光終止后)膨脹；最后等離子體在基片上成核、長大形成薄膜。PLD最大的優(yōu)點是易于靶材成分一致

5、，可對化學(xué)成分復(fù)雜的復(fù)合物材料進(jìn)行全等同鍍膜,保證鍍膜后化學(xué)計量比的穩(wěn)定。而且定向性強、薄膜分辯率高,能實現(xiàn)微區(qū)沉積。薄膜生長過程中可原位引入多種氣體,引入活性或惰性及混合氣體對提高薄膜質(zhì)量有重要意義。易制多層膜和異質(zhì)膜,特別是多元氧化物的異質(zhì)結(jié),只需通過簡單的換靶就行。VeeramuthuVaithianathan等[1]使用PLD法在Al2O3(0001)面上,以Zn3P2為摻雜源,制備出3mol%磷摻雜的ZnO薄膜,經(jīng)600℃~800℃的退火處理后,薄膜為p型導(dǎo)電ZnO薄膜。2.2分子束外延技術(shù)（MBE）分子束外延(MBE)是一種真空蒸發(fā)技術(shù)

6、,把原材料通過加熱轉(zhuǎn)化為氣態(tài),然后在真空中膨脹,再在襯底上凝結(jié),進(jìn)行外延生長。典型的MBE設(shè)備由束源爐、樣品臺和加熱器、控制系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)(包括真空生長室和機械泵、分子泵、離子泵、升華泵等,真空度可達(dá)到1×10-8Pa以上)和檢測分析系統(tǒng)(高能電子衍射儀、離子濺射槍、俄歇分析儀和四極質(zhì)譜儀等)組成。矯淑杰等[2]利用分子束外延的方法,采用高純金屬鋅作為Zn源，通過射頻等離子體源激發(fā)氣體源NO產(chǎn)生激活的N和O,在藍(lán)寶石c平面上外延生長了p型ZnO薄膜。當(dāng)生長溫度為300℃,NO氣體流量為1.0sccm,射頻功率為300W時,可獲得了重復(fù)性很好的p

7、型ZnO,且載流子濃度最大可達(dá)1.2×1019cm-3,遷移率為0.0535cm2/(V·s),電阻率為9.50Ω·cm。2.3超聲噴霧熱分解法(USP)超聲噴霧熱分解法是由制備太陽能電池電極發(fā)展而來的,通過將金屬鹽溶液霧化后噴入高溫區(qū),使金屬鹽在高溫下分解形成薄膜。在制備ZnO薄膜時，原料一般是溶解在醇類中的醋酸鋅。此法非常容易實現(xiàn)摻雜,通過加入氯鹽摻雜Al和In等元素,可以獲得電學(xué)性質(zhì)優(yōu)異的薄膜,還可以制備出具有納米顆粒結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)異的薄膜。噴霧熱分解法在常壓下進(jìn)行,可以減少真空環(huán)境下生長的ZnO薄膜中的氧空位,從而弱化施主補償作用,有利于p型

8、摻雜的實現(xiàn)。雖然此法的設(shè)備與工藝簡單,但也可生長出與其他方法可比擬的優(yōu)良的ZnO薄膜。焦寶臣等[3]通過超聲霧化熱分解技術(shù)