ＺｎＯ納米半導(dǎo)體材料制備

摘要:文章闡述了一些制備ZnO納米半導(dǎo)體材料的常用技術(shù)，如模板制備法、物理氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延、金屬有機(jī)化合物氣相沉積，并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:ZnO;模板制備法; PVD; PLD; 金屬有機(jī)化合物氣相沉積

中圖分類(lèi)號(hào):TN304文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)14-0090-02

隨著科學(xué)和商業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)納米半導(dǎo)體材料有了更加深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)其在光學(xué)器件和電學(xué)器件方面的應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣。最初人們?cè)谘芯縕nSe和GaN等短波長(zhǎng)納米半導(dǎo)體材料方面取得了一定的進(jìn)展， GaN制備藍(lán)綠光LED的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，由于ZnSe穩(wěn)定性較差，一直使之無(wú)法商品化生產(chǎn)。在長(zhǎng)期的對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料的科學(xué)研究中，人們發(fā)現(xiàn)ZnO半導(dǎo)體納米材料具有更多的優(yōu)點(diǎn)。ZnO是一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體氧化物材料，室溫下能帶寬度為3.37 eV，略低于GaN的3.39 eV，其激子束縛能(60meV)遠(yuǎn)大于GaN(25 meV)的激子束縛能。由于納米ZnO在紫外波段有較強(qiáng)的激子躍遷發(fā)光特性，所以在短波長(zhǎng)光子學(xué)器件領(lǐng)域有較廣的應(yīng)用前景。此外，ZnO納米半導(dǎo)體材料還可沉積在除Si以外的多種襯底上，如玻璃、Al2O3、GaAs等，并在 0.4～2μm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透明，對(duì)器件相關(guān)電路的單片集成有很大幫助，在光電集成器件中具有很大的潛力。文章闡述了近年來(lái)ZnO納米半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)，并對(duì)這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

ZnO是一種應(yīng)用較廣的半導(dǎo)體材料，在很多光學(xué)器件和電學(xué)器件中有很廣泛的應(yīng)用，由此也產(chǎn)生了多種納米半導(dǎo)體器件的制備方法，主要有以下幾種:

1模板制備法

模板制備法是一種用化學(xué)方法進(jìn)行納米材料制備的方法，被廣泛地用來(lái)合成各種各樣的納米棒、納米線、納米管等。此種方法使分散的納米粒子在已做好的納米模板中成核和生長(zhǎng)，因此，納米模板的尺寸和形狀決定了納米產(chǎn)物的外部特征?？茖W(xué)家們已經(jīng)利用孔徑為40 nm和20 nm左右的多孔氧化鋁模板得到了高度有序的ZnO納米線。鄭華均等人用電化學(xué)陽(yáng)極氧化-化學(xué)溶蝕技術(shù)制備出了一種新型鋁基納米點(diǎn)陣模板，此模板由無(wú)數(shù)納米凹點(diǎn)和凸點(diǎn)構(gòu)成，并在此模板上沉積出ZnO納米薄膜。此外，李長(zhǎng)全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸鈉為模板制備出ZnO納米管。該方法優(yōu)點(diǎn):較容易控制納米產(chǎn)物的尺寸、形狀。缺點(diǎn):需要模板有較高的質(zhì)量。

2物理氣相沉積(PVD)

物理氣相沉積可以用來(lái)制備一維ZnO納米線和二維ZnO納米薄膜，原理是通過(guò)對(duì)含Zn材料進(jìn)行濺射、蒸發(fā)或電離等過(guò)程，產(chǎn)生Zn粒子并與反應(yīng)氣體中的O反應(yīng)，生成ZnO化合物，在襯底表面沉積。物理氣象沉積技術(shù)已經(jīng)演化出三種不同的方法，它們是真空蒸發(fā)法，真空濺射法和離子鍍，離子鍍是目前應(yīng)用較廣的。離子鍍是人們?cè)趯?shí)踐中獲得的一種新技術(shù)，將真空蒸發(fā)法和濺射法結(jié)合起來(lái)，在高真空環(huán)境中加熱材料使之汽化后通入氫氣，在基體相對(duì)于材料間加負(fù)高壓，產(chǎn)生輝光放電，通過(guò)電場(chǎng)作用使大量被電離的材料的正離子射向負(fù)高壓的襯底，進(jìn)行沉積。張琦鋒、孫暉等人用氣相沉積方法已經(jīng)制備出了一維ZnO納米半導(dǎo)體材料。優(yōu)點(diǎn):所得到的納米產(chǎn)物純度高，污染小;薄膜厚度易于控制;材料不受限制。但是這種方法對(duì)真空度要求較高。

3脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition)

脈沖激光沉積也稱(chēng)PLD，常用于納米薄膜的制備。其工作原理就是用特定波長(zhǎng)和功率的激光脈沖聚焦光束，濺射真

空狀態(tài)下特定氣壓中的加熱靶材，激光束與靶材相互作用而產(chǎn)生的粒子團(tuán)噴射到襯底表面，通過(guò)控制氣流速度控制材料在襯底表面的沉積速度。牛海軍等人用一種新穎的垂直靶向脈沖激光沉積(VTPLD)方法，在常溫常壓空氣環(huán)境下，在玻璃基底上得到ZnO納米薄膜。該方法優(yōu)點(diǎn):制備的薄膜物質(zhì)比例與靶材相同;實(shí)驗(yàn)控制條件較少，易于控制;襯底溫度要求較低。缺點(diǎn):薄膜雜志較多;單純?yōu)R射產(chǎn)生的粒子團(tuán)密度不易控制，因此無(wú)法大面積生長(zhǎng)均勻的薄膜。

4分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)

分子束外延(MBE)技術(shù)可以制備高質(zhì)量薄膜。MBE技術(shù)可以在特定超高真空條件下較為精確的控制分子束強(qiáng)度，把分子束入射到被加熱的基片上，可使分子或原子按晶體排列一層層地“長(zhǎng)”在基片上形成薄膜。分子束外延設(shè)備主要包括超高真空系統(tǒng)、分子束源、樣品架、四極質(zhì)譜計(jì)QMS和反射式高能電子衍射裝置RHEED。周映雪等人利用分子束外延(MBE) 和氧等離子體源輔助MBE方法分別在三種不同襯底硅(100)、砷化鎵(100)和藍(lán)寶石 (0001)上先制備合適的緩沖層，然后在緩沖層上得到外延生長(zhǎng)的ZnO薄膜。該方法優(yōu)點(diǎn):生長(zhǎng)速度極慢，每秒1～10;薄膜可控性較強(qiáng);外延生長(zhǎng)所需溫度較低。缺點(diǎn):真空環(huán)境要求較高;無(wú)法大量生產(chǎn)。目前常用于生長(zhǎng)高質(zhì)量的ZnO薄膜分子束外延有兩種:一種是等離子增強(qiáng)，另一種是激光，兩種方法均已生長(zhǎng)出高質(zhì)量的ZnO 薄膜。

5金屬有機(jī)化合物氣相沉積( Metal Organic Chemical Vapor Deposition)

金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)是一種利用有機(jī)金屬在加熱襯底上的熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長(zhǎng)薄膜的方法。反應(yīng)室是MOCVD的核心部分，它對(duì)外延層厚度、組分均勻性、異質(zhì)結(jié)界面梯度、本底雜質(zhì)濃度以及產(chǎn)量有極大的影響。按反應(yīng)室形狀的不同，可分為水平式反應(yīng)室和立式反應(yīng)室，同時(shí)根據(jù)反應(yīng)室的壓力又可分為常壓 MOCVD和低壓MOCVD。劉成有利用MOCVD方法制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜。在一定襯底溫度及壓強(qiáng)下，制備出ZnO納米管。該方法優(yōu)點(diǎn)是: 薄膜可控性較強(qiáng);適合大批量生產(chǎn)。其缺點(diǎn)有:需精確控制;傳輸氣體有毒性。但目前不僅利用MOCVD法已生長(zhǎng)出較高質(zhì)量的ZnO薄膜，而且還獲得了MgZnO三元系薄膜。

除上述納米材料的常用制備技術(shù)，還有很多其他方法。隨著科技的發(fā)展和高質(zhì)量納米產(chǎn)品的需求，人們對(duì)納米半導(dǎo)體材料的研究會(huì)更加深入，對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理理解的更為透徹，隨之納米半導(dǎo)體材料制備技術(shù)將不斷地發(fā)展和完善。高質(zhì)量納米半導(dǎo)體產(chǎn)品會(huì)不斷出現(xiàn)，并被廣泛的應(yīng)用于人們的生活中。

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