淺談ZnO薄膜的特性

萬文瓊

【摘 要】ZnO薄膜在工業(yè)生產及日常生活中有著廣泛的應用，所以對ZnO薄膜性質的研究顯得很重要，本文從電學性質，透光性，發(fā)光性，壓電、氣敏、壓敏性等方面對ZnO薄膜的性質進行了闡述。

【關鍵詞】ZnO薄膜；電學性質；透光性；發(fā)光性

一、引言

ZnO[1-2]是一種性能優(yōu)越的新型半導體材料，位于Ⅱ-Ⅳ族，六方纖鋅礦結構是其最常見的結構，ZnO薄膜有著高的c軸擇優(yōu)取向生長的特點，還具有較高的熔點、機電禍合系數大，激子束縛能高等特點，這些都是薄膜的良好性能，而且來源廣，價格便宜，在制備過程中易于實現摻雜，無毒，并且對環(huán)境沒有污染，所以說它是一種優(yōu)良的，可以實現大規(guī)模應用的環(huán)保材料。

氧化鋅作為Ⅱ-Ⅵ族化合物，本征缺陷和雜質缺陷是ZAO薄膜中存在的兩種點缺陷，晶粒質點的有序排列被這些缺陷破壞了，從而對薄膜的電學性質、光學性質都有產生了很大的影響。雜質缺陷指的是通過加入一些其他的物質，從而破壞原有的結構，而在氧化鋅晶粒中形成的缺陷。

鋁是施主雜質中最成功的摻雜。摻入Al2O3后，由于鋅原子半徑（RZn=0.083nm）比鋁原子半徑（RAl=0.057nm）大的緣故，鋁原子容易占據鋅原子的位置。

摻鋁后的ZnO薄膜的缺陷反應式：

通過反應式我們看出，摻入Al2O3，凈電子增加了，晶粒導電性增強了。

ZAO薄膜為直接帶隙簡并半導體，能隙變化與載流子濃度的1/3次方成正比，摻雜之后光帶隙發(fā)生藍移。實驗證實，在摻鋁氧化鋅薄膜中，鋁的含量會對薄膜的性質產生很大的影響，當Al2O3的含量為2～3（wt）%時，薄膜的導電性最好。鋁摻雜濃度的最佳值可以從薄膜晶體結構方面的理論給予解釋。

ZnO體系中載流子濃度隨鋁摻量的變化公式為：

式中：n為載流子濃度，單位cm-3，NA為阿伏加德羅常數，Vmol為氧化鋅薄膜摩爾體積，x=NAl/（NZn+NAl）為鋁原子對鋅原子的摻雜百分比。

二、ZnO薄膜的性質

（一） ZnO薄膜的電學性質

純的ZnO薄膜是本征半導體，即使有一些電子在一定溫度下能夠獲得一定的能量，使其從價帶躍遷到導帶，使得價帶出現孔穴而導帶增加自由電子，但是這樣產生平衡載流子的幾率是很小的，所以純的沒有摻雜的ZnO薄膜其自由載流子濃度比半導體的金屬載流子以及自由載流子濃度要小的多，電阻率也很高，導電性很差，幾乎不導電。但是如果在ZnO中摻入鋁元素后，ZAO薄膜的電阻率甚至可以降到10-4 ，導電性能就會得到大幅提高。

（二）ZnO薄膜的透光性

在影響透明導電薄膜光吸收邊移動的諸多因素中Burstsin移動是起著最大作用的一個。只有滿足既具有高的載流子濃度，然而載流子的有效質量又小的半導體，才能夠發(fā)生顯著的Burstsin移動，如果載流子濃度足夠高，在氧化鋅這種寬禁帶半導體透明導電薄膜中，也會發(fā)生顯著的Burstsin移動。

由于ZnO薄膜的禁帶寬度（約為3.37ev）大于可見光子能量（3.1ev），ZnO薄膜對整個可見光是透明的，其導電性主要依賴于載流子和氧空穴的濃度，本征激發(fā)在可見光的范圍內是不會發(fā)生的，所以它在可見光的范圍內透射率是很高的。ZnO薄膜的透光性會受到鋁的摻雜量的影響，摻雜濃度越大，薄膜的禁帶寬度就會越寬。當載流子濃度足夠高時，半導體變成簡并的，費米能級進入導帶。導電性和透光率對透明導電薄膜是一對矛盾體，導電性能好，要求薄膜的厚度增加，而厚度的增大必然使得薄膜的光透過性減弱。

（三）ZnO薄膜的發(fā)光性

ZnO具有很好的發(fā)光特性，不同條件下，發(fā)光峰位不盡相同，ZnO的發(fā)光機制主要包括帶間躍遷發(fā)光、激子復合發(fā)光以及缺陷或雜質能級躍遷發(fā)光。ZnO是直接帶隙半導體，激子束縛能高達60meV，大約為GaN材料的兩倍，遠高于室溫下晶格熱動能26meV，因此很容易實現室溫受激發(fā)射。室溫下，ZnO的紫外發(fā)光峰主要由自由激子復合發(fā)光引起的。在一定條件下，還會出現激子-激子碰撞發(fā)光和聲子參與的激子發(fā)光等。室溫下光泵激射已經在MBE生長的ZnO和MgZnO中觀察到，激射一直保持到了550K以上，所觀察到了激射的能量位置與激子之間的非彈性散射的計算結果一致，這種碰撞的結果導致一個激子被激發(fā)到了高能級，并產生一個聲子。由于激子的共振長度要比直接的電子一空穴對大很多，同時激子復合所導致的光學增益的能量分布也要比處于帶尾的自由載流子的復合要窄得多，因此基于激子效應所導致的激射過程將比電子空穴等離子體具有更大的增益和更低的閡值，這就使ZnO結構材料特別適合于發(fā)展基于激子效應的光電器件。

（四）ZnO薄膜的壓電、氣敏、壓敏性

ZnO在壓電、氣敏、壓敏等方面也有重要的應用。（002）方向擇優(yōu)生長的ZnO薄膜是一種具有良好壓電性質的材料。利用射頻磁控濺射法制備的c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜在高頻區(qū)表現出很好的電聲轉換效應及低嵌入損耗等特征。利用ZnO的壓電性質，可以制備出高頻纖維聲光器件，不同摻雜的ZnO薄膜對特定的氣體敏感，例如未摻雜的ZnO薄膜對還原性、氧化性氣體具有敏感性；摻Bi2O3、Cr2O3、Y2O3等的ZnO薄膜對H2具有敏感性；而摻La2O3、Pd、V2O5的ZnO薄膜對酒精、丙酮等氣體表現出良好敏感性。利用ZnO的氣敏性質制備的傳感器可用于健康檢測、監(jiān)測人的血液酒精濃度以及監(jiān)測大氣中的酒精濃度等。ZnO壓敏材料受外加電壓作用時，存在一個閩值電壓，即壓敏電壓，當外加電壓高于該值時即進入擊穿區(qū)，此時電壓的微小變化即會引起電流的迅速增大，這一特征使ZnO壓敏材料在各種電路的過流保護方面已得到了廣泛的應用。

由于ZnO薄膜有著上述的一些性質，使得它在工業(yè)生產及日常生活中有著廣泛的應用。在光電顯示領域中它是選做透明電極的良好材料；它作為一種n型半導體它與一種適宜的p型半導體組合在一起時，在太陽能光電轉換領域中可作為一種異質結；由于它的電阻率會隨著表面吸附的氣體濃度的變化而改變，因此可以用來制作表面型氣敏原件；還可以被制成氣敏元件、各種壓電、壓光、電聲與聲光器件。

參考文獻：

[1] Lin J-C， Peng K-C， Liao H-L， Lee S-L. Transparent conducting Sc-codoped AZO film prepared from ZnO：Al–Sc by RF-DC sputtering. Thin Solid Films. 2008， 516（16）： 5349-5354.

[2] Ng Z-N， Chan K-Y， Tohsophon T. Effects of annealing temperature on ZnO and AZO films prepared by sol–gel technique. Applied Surface Science. 2012， 258（24）： 9604-9609.