硅基半導(dǎo)體上氧化鋅薄膜的思考

氧化鋅（ZnO），俗稱鋅白，是鋅的一種氧化物。氧化鋅是一種常用的化學(xué)添加劑，廣泛地應(yīng)用于塑料、硅酸鹽制品、合成橡膠、潤滑油、油漆涂料、藥膏、粘合劑、食品、電池、阻燃劑等產(chǎn)品的制作中。氧化鋅的能帶隙和激子束縛能較大，透明度高，有優(yōu)異的常溫發(fā)光性能，在半導(dǎo)體領(lǐng)域的液晶顯示器、薄膜晶體管、發(fā)光二極管和太陽能電池等產(chǎn)品中均有應(yīng)用。還應(yīng)用于壓電轉(zhuǎn)換、透明電極、表面聲波器件、壓敏電阻、體聲波器件、濕敏、氣敏傳感器等諸多領(lǐng)域。

ZnO具有比較好的抗輻射性能，所以可以在太空或核應(yīng)用等惡劣的環(huán)境下工作。ZnO可以在相對較低的溫度下生長，所使用的襯底種類也很多，不但可以生長在單晶襯底（如ZnO、Si、藍(lán)寶石A1203等）上，也可以生長在非晶襯底（如塑料、玻璃等）上。除了體單晶和薄膜之外，ZnO的納米有著豐富結(jié)構(gòu)，納米結(jié)構(gòu)的高比表面積使其非常適合應(yīng)用于傳感和探測領(lǐng)域。此外，ZnO還具有生物兼容性好、熱穩(wěn)定性高、帶隙寬度調(diào)節(jié)的合金體系（ZnMgO和ZnCdO）完備、刻蝕工藝簡單、體單晶易得等優(yōu)點(diǎn)，而且原料豐富、無毒無污染、價格低廉，是一種綠色環(huán)保塑材料。根據(jù)以上ZnO的特性，它被認(rèn)為是新型的光電半導(dǎo)體材料，具有廣闊的應(yīng)用前景，在全世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮。

1 氧化鋅的晶體結(jié)構(gòu)

許多經(jīng)過sp3軌道雜化后二元的Ⅱ族和VI族的每個原子都形成四個共價鍵，他們通常具有六邊纖鋅礦型（Wurrtzite）晶體結(jié)構(gòu)或立方閃鋅礦型（zine-blende）。以上兩種品體結(jié)構(gòu)都是以陰剛離了相互包圍的形式存在，四個陽離子包圍一個陰離子，反之，四個陰離子也同樣包圍著一個陽離了。

ZnO是無臭、無味、無毒、無砂性的兩性氧化物，難溶于水、醇和苯等有機(jī)溶劑，可溶于酸、堿以及氨水及氯化銨等溶液。

2 氧化鋅的應(yīng)用

2.1光電方面的應(yīng)用

ZnO在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)室溫或者更高溫度下激子的受激發(fā)射。激子發(fā)光效率比電子-空穴對復(fù)合發(fā)光效率更高，所需要的激射閾值也更低，因此znO應(yīng)用于短波長發(fā)光器件中，并可作為白光的起始材料。通過摻雜Mg，ZnO的帶隙寬度可以擴(kuò)展到深紫外區(qū)域，并且ZnO具有較高的光增益和能量轉(zhuǎn)換率以及高的光響應(yīng)，在紫外光電探測器領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價值。

ZnO薄膜摻雜了AL、Ga、In等在可見光區(qū)域具有高的透射率和低的電阻率，而且在氫等離子氣氛處理中有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，n型Zn0是一種良好的透明電極材料和寬禁帶窗口材料，可以代替氧化銦錫（ITo）薄膜應(yīng)用于太陽能電池平板顯示。

ZnO是在集成光電器件中的一種極具潛力的材料，因為它位于400～2000nm甚至更長的波長范圍內(nèi)都顯示出透明薄膜的特性，另外還具有光電，壓電等效應(yīng)。在Si基半導(dǎo)體上沉積ZnO薄膜的材料，可以形成將電學(xué)、光學(xué)以及聲學(xué)進(jìn)行單片集成的器件。

2.2壓電方面的應(yīng)用

Zrlo晶體常態(tài)下為沒有對稱中心的六邊釬鋅礦結(jié)構(gòu)，c軸方向具有極性，Zn和O有著不同的極性面，有著低的介電常數(shù)和高的耦合系數(shù)，所以ZnO薄膜結(jié)構(gòu)可以作為一種良好的壓電材料，能夠用來制造壓電轉(zhuǎn)換器，例如：高頻纖維聲光器件、聲光調(diào)制器等。Zn0壓電薄膜較為成熟的應(yīng)用是表面聲波（SAW）器件。SAW所需要的是ZnO薄膜結(jié)高度的c軸取向性，還要有高電阻率用來提高薄膜的聲電轉(zhuǎn)換率的；還有薄膜的表面平整、晶粒小、晶體缺陷少這些有很高的要求，為了減少能耗。ZnO用于傳感器方面就是在低頻方面的運(yùn)用，然會有直流電致?lián)p耗，高頻方面就不存在這個缺點(diǎn)。另外ZnO有很好的高頻特性，當(dāng)數(shù)字傳輸和移動通信信息傳輸量增大時，SAW也需要不低于lGHz的高頻特性，因此ZnO壓電薄膜在高頻濾波器、光波導(dǎo)、諧振器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

3 ZAO薄膜未來研究工作的方向

透明特性和優(yōu)異的光電性能是摻鋁氧化鋅薄膜本身具有的，所以ZAO存在著廣泛的潛在應(yīng)用價值，受到人們的極大關(guān)注并已得到廣泛地研究。然而盡管人們對薄膜有了一定的認(rèn)識，也在研究上取得了一些很好的結(jié)果，但與實際應(yīng)用中高性能光電器件所要求透明導(dǎo)電薄膜性能還有一定的差離。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭鐵鎖.Zn0薄膜的發(fā)光特性分析[J].榆林學(xué)院學(xué)報，2007，l7（2）.

作者簡介：

邢源，男（1989年5月28日～），山西晉城人，身份證號：140502198905289556，本科學(xué)歷。