淺談氧化鋅半導體材料的性能研究與制備進展

張曉輝

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局通信發(fā)明審查部，北京 100088）

1 氧化鋅半導體性能的基本概述

1.1 壓敏性質(zhì)的概述

隨著近年來社會主義市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市化、工業(yè)化建設(shè)進程的不斷加快，與其它半導體材料相比，壓敏性質(zhì)是氧化鋅的重要性能特征，具有良好的非線性I-V特性。通常而言，在應用過程中，氧化鋅的電壓、電流和電阻符合歐姆定律，通過下圖分析可知，在作業(yè)過程中，當電壓超過閾值時(即壓敏電壓)進入擊穿區(qū)后，微小變化的電壓都會引起電流迅速增加，因此電力企業(yè)可根據(jù)I-V特性變化趨勢，來對電路過流進行保護，以確保企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)。就目前來看，氧化鋅壓敏電阻值相對較高，因此相比其它壓敏材料，耐浪涌能力強、限電壓特性優(yōu)良是其顯著特點，且經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，壓敏電壓與電極間的晶界數(shù)成正比。

1.2 氣敏性質(zhì)的概述

通過大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，氧化鋅半導體還具有良好的氣敏特性，因此這種材料也常被用于制作氣敏器件，且就目前來看，半導體表面層的電導率與所吸附的氣體有關(guān)。隨著近年來城鄉(xiāng)一體化建設(shè)進程的不斷加快和科學技術(shù)的不斷進步，氣敏原件的制備元件也發(fā)生了顯著變化，但最初元件的制作所用到的材料就是氧化鋅半導體，在較低溫度環(huán)境下，氣體的物理和化學吸附同時存在，并隨溫度升高而逐漸增加，當達到一定高溫時，由于高溫解吸作用氣敏元件靈敏度則會逐漸降低，最高靈敏度溫度在450℃左右。除此之外根據(jù)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，氧化鋅半導體在吸附水蒸氣時，其表面電導率也會發(fā)生顯著變化，與一般半導體相比，無論是響應速度還是響應的準確度，濕敏元件有著極高的應用優(yōu)勢。

1.3 壓電性質(zhì)的概述

簡單來講，所謂的“壓電性”是指某些晶體材料，按一定比例施加機械應力后產(chǎn)生電荷的能力，各種功能轉(zhuǎn)換器件的制作，其主要就是利用壓電效應。經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，在當前城鄉(xiāng)一體化建設(shè)進程不斷加快的產(chǎn)業(yè)時代背景下，氧化鋅半導體因其具備顯著的壓電性質(zhì)，為高質(zhì)量定向外延薄膜的生長創(chuàng)造了良好條件。就目前而言，在氧化鋅半導體應用過程中，材料厚度的大小對換能器工作質(zhì)量和工作效率具有一定影響，故而為制出超高頻換能器，嚴格控制壓電材料薄膜厚度是極為必要的，結(jié)構(gòu)上也還必須保證結(jié)晶取向基本相同，只有如此其壓電效應如同單晶，不會導致機電耦和系數(shù)降低。

2 氧化鋅薄膜制備方式的基本概述

2.1 溶膠-凝膠法

與其它幾種薄膜制備方式相比，溶膠-凝膠法具有極強的可操性，與此同時無論是制備成本、制備效率和設(shè)備投資，都具有顯著優(yōu)勢，是現(xiàn)階段基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門常用的一種制備手段，制成的薄膜也具有記號的均勻性。在進行制備過程匯總，具體而言其制備流程如下，即“準備含鋅的有機醇鹽——采用浸漬提拉法或旋涂法將有機醇鹽溶膠均勻涂于基片上——待凝膠形成——加熱處理——形成薄膜”，在制備過程中，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門工作人員需要注意的是，由于金屬醇鹽不僅較為昂貴，此外鋅的某些醇鹽還具有一定的爆炸性，因此為提高薄膜的制備成功率，提高制備的安全性，部分企業(yè)也常用醋酸鋅或硝酸鋅代替含鋅的有機醇鹽。根據(jù)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，通過“溶膠-凝膠法”制成的薄膜，其結(jié)構(gòu)和性能在很大程度上與后期處理溫度息息相關(guān)，因此要想制備均質(zhì)透明、性能穩(wěn)定的薄膜，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門的工作人員不僅需嚴格控制后期溫度，此外由于薄膜與基片附著力較弱，通常需要涂5層～10層方可滿足預期薄膜制備的需求。

2.2 噴霧熱解法

在進行薄膜制備過程中，由于氧化鋅制備過程對于溫度有著較高要求，因此為從根本上確保制備質(zhì)量和制備效率，噴霧熱解法也是現(xiàn)階段基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門常用的一種制備方式。與“溶膠-凝膠法”制備相比，這種方式雖然制備成本較高，但是其制備質(zhì)量和制備效率也具有顯著優(yōu)勢，尤其在當前經(jīng)濟貿(mào)易往來愈發(fā)頻繁的新市場經(jīng)濟常態(tài)下，為在多元化市場競爭環(huán)境下，提高企業(yè)的競爭優(yōu)勢，確保產(chǎn)品制備效益和制備質(zhì)量是極為必要的，具體而言，噴霧熱解法的制備流程如下，即“配置前驅(qū)體溶液——將溶液以氣凝膠的形式引入反應腔中——利用噴霧裝置將液體霧化噴涂到加熱的基板上——將基板溫度控制在T=673K——選Ar作載氣體獲得高質(zhì)量氧化鋅薄膜”。在氧化鋅薄膜制備過程中，通常而言為確保制備質(zhì)量和制備效率，亦或是制備成滿足企業(yè)需求的氧化鋅薄膜，在溶液中摻雜一定質(zhì)量分數(shù)的ⅢA族元素或ⅣA族元素是極為必要的，只有如此才能確保制成的氧化鋅薄膜能滿足實際應用需求。除此之外，噴霧熱解法在應用過程中，為從根本上提高應用的科學性、合理性和有效性，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門需經(jīng)多次試驗來確定最佳的噴嘴流速和基片溫度參數(shù)值。

2.3 濺射法

隨著近年來社會主義市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，在氧化鋅薄膜制備過程中，濺射法是當下基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)主管部門應用最成熟也是最普遍的一種薄膜制備技術(shù)，與“溶膠-凝膠法”和“噴霧熱解法”相比，濺射法的使用，不僅能有效地控制制備成本，此外無論是制備質(zhì)量還是制備效率，都發(fā)揮了顯著優(yōu)勢，能在提高成膜率的基礎(chǔ)上，為預期企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)奠定良好基礎(chǔ)。所謂的“濺射”其實簡單而言，是指當具有一定能量的粒子束轟擊固體表面時，固體表面的原子就會獲得能量而從表面逸出，而逸出的這個過程就是濺射。經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，在氧化鋅薄膜制備過程中，濺射法的具體操作流程如下，即“以Zn為靶材—將O2或O2/Ar充入真空腔中—在靶材兩端施加一定電壓—濺射出的Zn粒子在加速電壓作用下與O2反應—在基片上形成氧化鋅薄膜”。在氧化鋅薄膜制備過程中，通常而言由于薄膜成分與靶材成分具有一定的相似性，因此為從根本上規(guī)避其它問題的產(chǎn)生，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)部門可選用混有一定量Al2O3或其他雜質(zhì)的ZnO為靶材。在“濺射法”應用過程中，濺射過程不發(fā)生化學反應稱為普通濺射，若在垂直于電場方向加一磁場影響離化率及濺射速率的稱為磁控濺射。

3 結(jié)語

簡而言之，在當前城市化、工業(yè)化建設(shè)進程不斷加快的產(chǎn)業(yè)時代背景下，氧化鋅半導體因其具備多種優(yōu)秀性能，因此被廣泛地應用于大規(guī)模集成電路和電子信息工業(yè)生產(chǎn)中，而氧化鋅薄膜作為重要的元件之一，正好符合迅速發(fā)展的大規(guī)模、超大規(guī)模企業(yè)發(fā)展需求，是一種很有前途的TCO材料，故此為從根本上促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)，對氧化鋅薄膜制備工藝進行不斷調(diào)整和優(yōu)化，是當前推動我國進一步發(fā)展的重要戰(zhàn)略發(fā)展手段。