ZnO薄膜的器件应用

用作光伏电池的电极和窗口材料

       ZnO在适当的掺杂下表现出低阻特征。这一特性使得ZnO可用作太阳能电池的透明电极。同ITO相比,Al掺杂ZnO薄膜(AZO)无毒性,稳定性好,材料价廉易得,在光伏电池和显示器等领域正逐渐替代ITO薄膜。Al掺杂可使ZnO薄膜的禁带宽度增大,且具有较高的透光率。高透光率和可调的禁带宽度使其适合作为太阳能电池窗口材料。ZnO受高能粒子辐射损伤较小,适用于航天器太阳能电池板的制造。E.B.Yousfi等人利用ZnO薄膜作为透明导电膜,In2S3为缓冲层,制作了Cu (InGa)Se2/In2S3/ZnO光伏电池,稳定的光电转换效率达到13.5%。

      R.Groenen等人采用扩展热等离子束工艺制备了AZO薄膜(T>80%,ρ>10-3Ω·cm),不含有Cd、Sn等重金属元素,适用于p-i- nαSi:H 光伏电池,效率为7.7%,性能与Sn2O:F薄膜相当或略好。有关ZnO薄膜用于光伏电池的系统研究请参见文献。

在发光器件的应用

      ZnO 薄膜p-n结是实现ZnO基发光二极管和激光器的关键。ZnO是一种理想的短波长发光材料,通过与CdO、MgO组成的混晶薄膜能够得到可调的带隙,覆盖了从红光到紫光的光谱范围,有望开发出紫外、绿光和蓝光等多种发光器件。由于ZnO是直接带隙半导体,可以带间直接跃迁的方式获得高效率的辐射复合。H. Kim等人在200℃下用PLD法制得AZO薄膜(ρ=3.8 ×10-4Ω·cm, T=91%),用于有机发光二极管(OLED),在电流密度100A/m2时的外量子效率为0.3%,明显提高了器件性能。ZnO激子束缚能为60meV,室温下不离化,在高密度(大于240kW/cm2)3倍频YAG:Nd激光器的353nm脉冲激光激发下,可以产生紫外受激发射。用激子复合来代替电子-空穴对的复合,可使受激发射的阈值降至240kW/cm2,激子发射温度可达550℃,而且单色性很好。Z.K.Tang 等报道了55nm 厚的ZnO膜在3.0μJ/cm2能量密度照射下激子增益为320cm-1,高于同条件下GaN的激子增益,在LD等领域显示出很大的开发应用潜力。

ZnO基紫外探测器

       基于ZnO的宽禁带和高电导性质,可制作紫外探测器。ZnO与GaN、SiC等其他的宽带隙材料相比,有更高的化学稳定性和热稳定性、更好的抗辐照能力、较低的生长温度、适合于长寿命器件等优点。ZnO基三元合金MgxZn1-xO, 随Mg组分的变化,可以使其带隙在3.3eV(ZnO)到7.8eV(Mg)连续可调,实现太阳盲区紫外光的探测,因此对ZnO基紫外探测器的研究,具有重要的实际意义。

       紫外探测器被广泛应用于天文学、燃料工程、水净化处理、天际通讯及环境污染监测等领域。目前使用的紫外探测器主要有紫外真空二极管、紫外光电倍增管和固体紫外探测器等,其中常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极管。硅基紫外光电管需要附带滤光片,光电倍增管需要在高电压下工作,而且体积笨重、效率低、易损坏且成本高,对于实际应用有一定的局限性。因而基于ZnO的紫外探测器是必然的发展趋势。

作为缓冲层/衬底

       用于制作高效率激光器的GaN薄膜材料在制备方面难度较大,缺乏合适的衬底材料是重要原因。ZnO与GaN有相同的晶体结构,晶格常数相近,c轴方向的失配度为0.4%,a轴方向的失配度为1.9%。ZnO的n型掺杂可达1020cm-3,电学性能显著优于其它宽禁带半导体材料。相对于氮化物半导体,ZnO切向模量较小,用其作缓冲层时,可使失配位错不向GaN层延伸。因此,用ZnO作为缓冲层生长GaN薄膜,通常能够顺利生长出高质量的GaN薄膜,c轴择优取向ZnO薄膜的效果更佳。在某些应用中,通过选择腐蚀,比较容易使ZnO与GaN分离。