ZnO材料的性质及其薄膜研究现状

崔传文 赵宪华 李成龙

【摘要】近几年，ZnO作为宽禁带半导体受到人們越来越多的重视。和目前最成功的宽禁带半导体材料GaN相比，ZnO具有很多优点。本文综述了ZnO材料的主要性质，并深入探讨了ZnO薄膜的研究现状。

【关键词】ZnO薄膜;应用

近几年，由于短波长激光二极管 LD激光器在信息领域具有很大的应用前景，人们对宽禁带半导体的研究产生了极大的兴趣。目前已经制造出GaN和ZnSe基的蓝光发光二极管和激光器。蓝色发光器件的研制成功，使得全色显示成为可能，而且可以制作出高亮度和高效率的白光发射器件。用GaN制造的蓝光激光器可代替GaAs红外激光器，使光盘的光信息存储密度大大提高，这将极大的推动信息技术的发展。但这些蓝光材料也有明显的不足，ZnSe激光器在受激发射时容易因温度升高而造成缺陷的大量增殖，所以寿命很短，而GaN 材料的制备需要昂贵的设备，缺少合适的衬底材料，薄膜需要在高温下生长，难度较大，找到性质与之相近的发光材料，并克服GaN材料的不足，这个工作具有十分重要的意义。ZnO 材料无论是在晶格结构，晶格常数还是在禁带宽度上都与 GaN 很相似，对衬底没有苛刻的要求而且很容易成膜。同时ZnO材料在室温下具有高的激子束缚能约60meV，在室温下激子不会被电离可以获得有效地激子发射。这将大大降低室温下的激射域值。目前国内外关于ZnO材料的研究正蓬勃发展，覆盖面十分广阔。本文综述了ZnO材料的主要性质，并深入探讨了ZnO薄膜的研究现状。

一、ZnO的性质

1、ZnO薄膜的光电性质

ZnO 是一种宽禁带的 n 型半导体材料，具有优良的光电性质。其光电性质与化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶程度密切相关[1]。在适当的制备条件及掺杂下，ZnO 薄膜表现出很好的低阻特征。B. Joseph 等人[2]利用化学喷雾沉积法在沉积温度为 450℃ 及真空煅烧的条件下，制得厚度为 175nm 的未掺杂 ZnO薄膜的电阻率仅为 3×10-3Ωm，而 T. Schuler等以 sol-gel 法制备的厚度为174nm的掺 Al 等杂质的 ZnO 的电阻率也仅为 5×10-3Ωm。

研究表明，定向透明的 ZnO 薄膜以及 Al、In 等掺杂的 ZnO 薄膜具有优异的光电性质。S. H. Bae等人利用激光脉冲沉积法在蓝宝石基片上制得的 ZnO 薄膜具有绿-黄色光发光性质。研究表明，ZnO 薄膜的紫外光发光强度随结晶度的增加而增加。当沉积的基片温度为 600℃，氧分压为 200mTorr 时，制得高质量的 ZnO 薄膜，能发射强的紫外光。

许多研究表明，通过掺入 Al 等元素可以对 ZnO 薄膜的禁带宽度加以调节。Silva 在 ZnO 薄膜中掺入适量的 Al，使其禁带宽度显著增大，达4.54±0.05eV。这种 ZnO 薄膜具有较高的光透过率，在可见光区，光透过率接近 90%。而且，在紫外光的照射下，ZnO 薄膜对可见光的透过率基本保持不变，具有良好的耐幅照性能。

2、ZnO薄膜的压电性质

高密度、定向生长的 ZnO 薄膜具有良好的压电性质，如高机电耦合系数和低介电常数。N. K. Zayer 等研究表明，利用射频磁控溅射法在200℃的Si基片上沉积的c轴择优取向的ZnO薄膜具有很好的压电性，其在 0.9GHz 附近的高频区表现出很好的压电转换效应及低嵌入损耗（4.9dB）等特征，是制备高频纤维声光器件如声光调制器等压电转换器材料。

3、ZnO薄膜的气敏性质

ZnO 薄膜是一种气敏材料，经某些元素掺杂之后对有害气体、可燃性气体、有机蒸汽等具有很好的敏感性，可制成各种气敏传感器。未掺杂的 ZnO 对还原性、氧化性气体具有敏感性;掺 Pb、Pt 的 ZnO 对可燃性气体具有敏感性;掺Bi2O3、Cr2O3、Y2O3 等的 ZnO 薄膜对 H2 具有敏感性;掺 La2O3、Pb 或 V2O5的 ZnO 对酒精、丙酮等气体表现出良好的敏感性，用其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等。

4、ZnO薄膜的压敏性质

ZnO 薄膜的压敏性质主要表现在非线性伏安特性上。ZnO 压敏材料受外加压力作用时，存在一个阈值电压，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会引起电流的迅速增大，变化幅度由非线性系数（ ）来表征。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。

由于集成电路的快速发展，对压敏电阻也越来越要求低压化和小功率化。用于集成电路过压保护的压敏电阻的压敏电压一般小于 10V。随着超大规模集成电路的发展，具有高 值、压敏电压小于 5V 的压敏电阻变得越来越需要。因此，ZnO 薄膜的低压压敏性质引起有关研究者的关注。Y. Suzuoki利用射频溅射法在玻璃基片上沉积了 ZnO/Bi2O3双层薄膜，压敏电压小于 10V，并且具有较大的非线性系数。N. Horio等利用射频溅射法制备了 ZnO/Pr6O11双层压敏薄膜，膜厚为 600nm/400nm，压敏电压为 20V，非线性系数（α）值为20。这些研究表明，ZnO 薄膜在开发低压压敏电阻材料方面具有广阔的前景。

二、ZnO薄膜的研究现状

近几年，由于短波长激光二极管 LD激光器在信息领域具有很大的应用前景，人们对宽禁带半导体的研究产生了极大的兴趣。目前已经制造出GaN和ZnSe基的蓝光发光二极管和激光器。蓝色发光器件的研制成功，使得全色显示成为可能，而且可以制作出高亮度和高效率的白光发射器件。用GaN制造的蓝光激光器可代替GaAs红外激光器，使光盘的光信息存储密度大大提高，这将极大的推动信息技术的发展。但这些蓝光材料也有明显的不足，ZnSe激光器在受激发射时容易因温度升高而造成缺陷的大量增殖，所以寿命很短，而GaN 材料的制备需要昂贵的设备，缺少合适的衬底材料，薄膜需要在高温下生长，难度较大，找到性质与之相近的发光材料，并克服GaN材料的不足，这个工作具有十分重要的意义。ZnO 材料无论是在晶格结构，晶格常数还是在禁带宽度上都与 GaN 很相似，对衬底没有苛刻的要求而且很容易成膜。同时ZnO材料在室温下具有高的激子束缚能约60meV，在室温下激子不会被电离可以获得有效地激子发射。这将大大降低室温下的激射域值。

参考文献：

[1] Nagase T.，Ooie T. and Sakakibara J.，A novel approach to prepare zinc oxide films：excimer laser irradiation of sol-gel derived precursor films [J]，Thin Solid Films，1999，357（2）：151-158.

[2] Joseph Benny，Gopchandran K. G.，Thomas P. V.，et al，A study on the chemical spray deposition of zinc oxide thin films and their structural and electrical properties [J]，Materials Chemistry and Physics，1999，58（1）：71-77.