浅谈ZnO薄膜的特性

万文琼

【摘 要】ZnO薄膜在工业生产及日常生活中有着广泛的应用，所以对ZnO薄膜性质的研究显得很重要，本文从电学性质，透光性，发光性，压电、气敏、压敏性等方面对ZnO薄膜的性质进行了阐述。

【关键词】ZnO薄膜；电学性质；透光性；发光性

一、引言

ZnO[1-2]是一种性能优越的新型半导体材料，位于Ⅱ-Ⅳ族，六方纤锌矿结构是其最常见的结构，ZnO薄膜有着高的c轴择优取向生长的特点，还具有较高的熔点、机电祸合系数大，激子束缚能高等特点，这些都是薄膜的良好性能，而且来源广，价格便宜，在制备过程中易于实现掺杂，无毒，并且对环境没有污染，所以说它是一种优良的，可以实现大规模应用的环保材料。

氧化锌作为Ⅱ-Ⅵ族化合物，本征缺陷和杂质缺陷是ZAO薄膜中存在的两种点缺陷，晶粒质点的有序排列被这些缺陷破坏了，从而对薄膜的电学性质、光学性质都有产生了很大的影响。杂质缺陷指的是通过加入一些其他的物质，从而破坏原有的结构，而在氧化锌晶粒中形成的缺陷。

铝是施主杂质中最成功的掺杂。掺入Al2O3后，由于锌原子半径（RZn=0.083nm）比铝原子半径（RAl=0.057nm）大的缘故，铝原子容易占据锌原子的位置。

掺铝后的ZnO薄膜的缺陷反应式：

通过反应式我们看出，掺入Al2O3，净电子增加了，晶粒导电性增强了。

ZAO薄膜为直接带隙简并半导体，能隙变化与载流子浓度的1/3次方成正比，掺杂之后光带隙发生蓝移。实验证实，在掺铝氧化锌薄膜中，铝的含量会对薄膜的性质产生很大的影响，当Al2O3的含量为2～3（wt）%时，薄膜的导电性最好。铝掺杂浓度的最佳值可以从薄膜晶体结构方面的理论给予解释。

ZnO体系中载流子浓度随铝掺量的变化公式为：

式中：n为载流子浓度，单位cm-3，NA为阿伏加德罗常数，Vmol为氧化锌薄膜摩尔体积，x=NAl/（NZn+NAl）为铝原子对锌原子的掺杂百分比。

二、ZnO薄膜的性质

（一） ZnO薄膜的电学性质

纯的ZnO薄膜是本征半导体，即使有一些电子在一定温度下能够获得一定的能量，使其从价带跃迁到导带，使得价带出现孔穴而导带增加自由电子，但是这样产生平衡载流子的几率是很小的，所以纯的没有掺杂的ZnO薄膜其自由载流子浓度比半导体的金属载流子以及自由载流子浓度要小的多，电阻率也很高，导电性很差，几乎不导电。但是如果在ZnO中掺入铝元素后，ZAO薄膜的电阻率甚至可以降到10-4 ，导电性能就会得到大幅提高。

（二）ZnO薄膜的透光性

在影响透明导电薄膜光吸收边移动的诸多因素中Burstsin移动是起着最大作用的一个。只有满足既具有高的载流子浓度，然而载流子的有效质量又小的半导体，才能够发生显著的Burstsin移动，如果载流子浓度足够高，在氧化锌这种宽禁带半导体透明导电薄膜中，也会发生显著的Burstsin移动。

由于ZnO薄膜的禁带宽度（约为3.37ev）大于可见光子能量（3.1ev），ZnO薄膜对整个可见光是透明的，其导电性主要依赖于载流子和氧空穴的浓度，本征激发在可见光的范围内是不会发生的，所以它在可见光的范围内透射率是很高的。ZnO薄膜的透光性会受到铝的掺杂量的影响，掺杂浓度越大，薄膜的禁带宽度就会越宽。当载流子浓度足够高时，半导体变成简并的，费米能级进入导带。导电性和透光率对透明导电薄膜是一对矛盾体，导电性能好，要求薄膜的厚度增加，而厚度的增大必然使得薄膜的光透过性减弱。

（三）ZnO薄膜的发光性

ZnO具有很好的发光特性，不同条件下，发光峰位不尽相同，ZnO的发光机制主要包括带间跃迁发光、激子复合发光以及缺陷或杂质能级跃迁发光。ZnO是直接带隙半导体，激子束缚能高达60meV，大约为GaN材料的两倍，远高于室温下晶格热动能26meV，因此很容易实现室温受激发射。室温下，ZnO的紫外发光峰主要由自由激子复合发光引起的。在一定条件下，还会出现激子-激子碰撞发光和声子参与的激子发光等。室温下光泵激射已经在MBE生长的ZnO和MgZnO中观察到，激射一直保持到了550K以上，所观察到了激射的能量位置与激子之间的非弹性散射的计算结果一致，这种碰撞的结果导致一个激子被激发到了高能级，并产生一个声子。由于激子的共振长度要比直接的电子一空穴对大很多，同时激子复合所导致的光学增益的能量分布也要比处于带尾的自由载流子的复合要窄得多，因此基于激子效应所导致的激射过程将比电子空穴等离子体具有更大的增益和更低的阂值，这就使ZnO结构材料特别适合于发展基于激子效应的光电器件。

（四）ZnO薄膜的压电、气敏、压敏性

ZnO在压电、气敏、压敏等方面也有重要的应用。（002）方向择优生长的ZnO薄膜是一种具有良好压电性质的材料。利用射频磁控溅射法制备的c轴择优取向的ZnO薄膜在高频区表现出很好的电声转换效应及低嵌入损耗等特征。利用ZnO的压电性质，可以制备出高频纤维声光器件，不同掺杂的ZnO薄膜对特定的气体敏感，例如未掺杂的ZnO薄膜对还原性、氧化性气体具有敏感性；掺Bi2O3、Cr2O3、Y2O3等的ZnO薄膜对H2具有敏感性；而掺La2O3、Pd、V2O5的ZnO薄膜对酒精、丙酮等气体表现出良好敏感性。利用ZnO的气敏性质制备的传感器可用于健康检测、监测人的血液酒精浓度以及监测大气中的酒精浓度等。ZnO压敏材料受外加电压作用时，存在一个闽值电压，即压敏电压，当外加电压高于该值时即进入击穿区，此时电压的微小变化即会引起电流的迅速增大，这一特征使ZnO压敏材料在各种电路的过流保护方面已得到了广泛的应用。

由于ZnO薄膜有着上述的一些性质，使得它在工业生产及日常生活中有着广泛的应用。在光电显示领域中它是选做透明电极的良好材料；它作为一种n型半导体它与一种适宜的p型半导体组合在一起时，在太阳能光电转换领域中可作为一种异质结；由于它的电阻率会随着表面吸附的气体浓度的变化而改变，因此可以用来制作表面型气敏原件；还可以被制成气敏元件、各种压电、压光、电声与声光器件。

参考文献：

[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.