宽禁带半导体ZnO薄膜的制备工艺
氧化锌(ZnO)是II-VI族宽禁带直接带隙化合物半导体,室温下禁带宽度约为3.3eV,与GaN、SiC一起被称为第三代半导体材料。所谓第三代半导体材料是指宽禁带半导体材料,它们的发光波长短(近紫外),具有耐高温、抗辐照、制备方法多、毒性小等特点,可广泛应用于空间技术、光电技术、军工和高密度存储等领域;民用方面,可用于新一代半导体照明、大面积显示等。总之,宽禁带半导体材料在微电子和光电子领域内有着广泛的用途。
ZnO 具有较高的激子束缚能(60meV),比室温热离化能(26meV)大很多。理论上说,具有大束缚能的激子更容易在室温下实现高效率的紫外受激辐射。因此,ZnO是适合制作短波光学器件和高频电子器件等新型器件的材料之一。掺铝ZnO薄膜(AZO)有较高的电导率和透光率,可作为透明电极。ZnO掺杂Mn、Fe、Co、Cr、V、Ni 等元素能够产生自旋极化,形成高于室温的稀磁性透明半导体,在自旋电子器件有重要价值。ZnO还是为数不多的几种易于实现量子尺寸效应的氧化物半导体材料之一。现在,ZnO的研究方兴未艾,作为光电子器件材料的研究成为重点之一。ZnO 与GaN都是六方纤锌矿结构,其a轴晶格常数为0.325nm,与GaN的晶格失配度小于2%,故GaN和ZnO可以互作衬底来定向外延生长薄膜。
ZnO薄膜的制备方法有多种,大致分为物理法和化学法,可以满足不同的需求。较新的制备工艺不断涌现,如激光脉冲沉积法(PLD)、分子束外延法(MBE)等,这些工艺各有自身的优缺点。溅射法可获得高度c轴取向、表面平整度好、透光率较高的ZnO薄膜,但溅射过程中粒子轰击薄膜表面易造成损伤,因此不适于生长单晶薄膜或低缺陷ZnO薄膜。金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法生长的ZnO膜可用作紫外探测器、表面声波(SAW)等器件等。MOCVD优点是适合各种半导体异质结外延材料的生长,可以大面积、高速率生长出较高质量的ZnO薄膜。其主要缺点是成本高,沉积要求严格,未到衬底以前,锌源与氧过早反应而对ZnO薄膜造成一定污染,降低了薄膜的质量。PLD法具有很多的优点,但对沉积条件的要求高,在掺杂控制、平滑生长多层膜等方面存在一定的困难。MBE法生长的ZnO薄膜的质量最好,若有原位检测与刻蚀辅助,薄膜质量更有保证。但MBE生长速率很慢,设备昂贵,操作复杂,不适合现代化工业生产的要求。
ZnO薄膜可以沉积在各种衬底上,如石英、Si、GaAs、InP、蓝宝石等。制备在透明衬底上的ZnO薄膜,在可见光范围的透过率达90%,是一种优质的透明半导体材料,可用来制作全透明电子器件或用作透明电极。在透明导电膜方面,掺铝ZnO薄膜(AZO)有同ITO膜可比拟的光学和电学性质,且强度高,抗辐射,耐高温,是航天器上太阳能电池板首选的工作材料。在蓝宝石衬底上淀积的ZnO薄膜质量最佳,可以观察到自由激子发光、激子-激子散射和电子空穴等离子态发光等现象。ZnO 薄膜还具有制备简单、沉积温度低和电子诱生缺陷密度低等优点。Si 基生长的ZnO 薄膜有希望将光电子器件制作与传统的硅平面工艺相结合。由于化学稳定性好,良好的机电耦合性,工艺简单,这使得ZnO 薄膜在近年来受到越来越多的重视,成为化合物半导体领域中的一个研究热点,基于ZnO的器件正逐步应用到许多领域中。
ZnO器件的应用涉及诸多领域,主要包括太阳能电池、紫外探测器、表面声波(SAW)器件、发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)等。这些器件广泛用于光电转换、光电探测、传感器、光通信、光电显示、光电储存和光催化等领域。
相关文章：
