寬禁帶半導體ZnO薄膜的制備工藝
氧化鋅(ZnO)是II-VI族寬禁帶直接帶隙化合物半導體,室溫下禁帶寬度約為3.3eV,與GaN、SiC一起被稱為第三代半導體材料。所謂第三代半導體材料是指寬禁帶半導體材料,它們的發(fā)光波長短(近紫外),具有耐高溫、抗輻照、制備方法多、毒性小等特點,可廣泛應用于空間技術(shù)、光電技術(shù)、軍工和高密度存儲等領(lǐng)域;民用方面,可用于新一代半導體照明、大面積顯示等。總之,寬禁帶半導體材料在微電子和光電子領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的用途。
ZnO 具有較高的激子束縛能(60meV),比室溫熱離化能(26meV)大很多。理論上說,具有大束縛能的激子更容易在室溫下實現(xiàn)高效率的紫外受激輻射。因此,ZnO是適合制作短波光學器件和高頻電子器件等新型器件的材料之一。摻鋁ZnO薄膜(AZO)有較高的電導率和透光率,可作為透明電極。ZnO摻雜Mn、Fe、Co、Cr、V、Ni 等元素能夠產(chǎn)生自旋極化,形成高于室溫的稀磁性透明半導體,在自旋電子器件有重要價值。ZnO還是為數(shù)不多的幾種易于實現(xiàn)量子尺寸效應的氧化物半導體材料之一。現(xiàn)在,ZnO的研究方興未艾,作為光電子器件材料的研究成為重點之一。ZnO 與GaN都是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),其a軸晶格常數(shù)為0.325nm,與GaN的晶格失配度小于2%,故GaN和ZnO可以互作襯底來定向外延生長薄膜。
ZnO薄膜的制備方法有多種,大致分為物理法和化學法,可以滿足不同的需求。較新的制備工藝不斷涌現(xiàn),如激光脈沖沉積法(PLD)、分子束外延法(MBE)等,這些工藝各有自身的優(yōu)缺點。濺射法可獲得高度c軸取向、表面平整度好、透光率較高的ZnO薄膜,但濺射過程中粒子轟擊薄膜表面易造成損傷,因此不適于生長單晶薄膜或低缺陷ZnO薄膜。金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)法生長的ZnO膜可用作紫外探測器、表面聲波(SAW)等器件等。MOCVD優(yōu)點是適合各種半導體異質(zhì)結(jié)外延材料的生長,可以大面積、高速率生長出較高質(zhì)量的ZnO薄膜。其主要缺點是成本高,沉積要求嚴格,未到襯底以前,鋅源與氧過早反應而對ZnO薄膜造成一定污染,降低了薄膜的質(zhì)量。PLD法具有很多的優(yōu)點,但對沉積條件的要求高,在摻雜控制、平滑生長多層膜等方面存在一定的困難。MBE法生長的ZnO薄膜的質(zhì)量最好,若有原位檢測與刻蝕輔助,薄膜質(zhì)量更有保證。但MBE生長速率很慢,設備昂貴,操作復雜,不適合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求。
ZnO薄膜可以沉積在各種襯底上,如石英、Si、GaAs、InP、藍寶石等。制備在透明襯底上的ZnO薄膜,在可見光范圍的透過率達90%,是一種優(yōu)質(zhì)的透明半導體材料,可用來制作全透明電子器件或用作透明電極。在透明導電膜方面,摻鋁ZnO薄膜(AZO)有同ITO膜可比擬的光學和電學性質(zhì),且強度高,抗輻射,耐高溫,是航天器上太陽能電池板首選的工作材料。在藍寶石襯底上淀積的ZnO薄膜質(zhì)量最佳,可以觀察到自由激子發(fā)光、激子-激子散射和電子空穴等離子態(tài)發(fā)光等現(xiàn)象。ZnO 薄膜還具有制備簡單、沉積溫度低和電子誘生缺陷密度低等優(yōu)點。Si 基生長的ZnO 薄膜有希望將光電子器件制作與傳統(tǒng)的硅平面工藝相結(jié)合。由于化學穩(wěn)定性好,良好的機電耦合性,工藝簡單,這使得ZnO 薄膜在近年來受到越來越多的重視,成為化合物半導體領(lǐng)域中的一個研究熱點,基于ZnO的器件正逐步應用到許多領(lǐng)域中。
ZnO器件的應用涉及諸多領(lǐng)域,主要包括太陽能電池、紫外探測器、表面聲波(SAW)器件、發(fā)光二極管(LED)和半導體激光器(LD)等。這些器件廣泛用于光電轉(zhuǎn)換、光電探測、傳感器、光通信、光電顯示、光電儲存和光催化等領(lǐng)域。
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