硅基半导体上氧化锌薄膜的思考

氧化锌（ZnO），俗称锌白，是锌的一种氧化物。氧化锌是一种常用的化学添加剂，广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中。氧化锌的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管和太阳能电池等产品中均有应用。还应用于压电转换、透明电极、表面声波器件、压敏电阻、体声波器件、湿敏、气敏传感器等诸多领域。

ZnO具有比较好的抗辐射性能，所以可以在太空或核应用等恶劣的环境下工作。ZnO可以在相对较低的温度下生长，所使用的衬底种类也很多，不但可以生长在单晶衬底（如ZnO、Si、蓝宝石A1203等）上，也可以生长在非晶衬底（如塑料、玻璃等）上。除了体单晶和薄膜之外，ZnO的纳米有着丰富结构，纳米结构的高比表面积使其非常适合应用于传感和探测领域。此外，ZnO还具有生物兼容性好、热稳定性高、带隙宽度调节的合金体系（ZnMgO和ZnCdO）完备、刻蚀工艺简单、体单晶易得等优点，而且原料丰富、无毒无污染、价格低廉，是一种绿色环保塑材料。根据以上ZnO的特性，它被认为是新型的光电半导体材料，具有广阔的应用前景，在全世界范围内掀起了研究热潮。

1 氧化锌的晶体结构

许多经过sp3轨道杂化后二元的Ⅱ族和VI族的每个原子都形成四个共价键，他们通常具有六边纤锌矿型（Wurrtzite）晶体结构或立方闪锌矿型（zine-blende）。以上两种品体结构都是以阴刚离了相互包围的形式存在，四个阳离子包围一个阴离子，反之，四个阴离子也同样包围着一个阳离了。

ZnO是无臭、无味、无毒、无砂性的两性氧化物，难溶于水、醇和苯等有机溶剂，可溶于酸、碱以及氨水及氯化铵等溶液。

2 氧化锌的应用

2.1光电方面的应用

ZnO在理论上能够实现室温或者更高温度下激子的受激发射。激子发光效率比电子-空穴对复合发光效率更高，所需要的激射阈值也更低，因此znO应用于短波长发光器件中，并可作为白光的起始材料。通过掺杂Mg，ZnO的带隙宽度可以扩展到深紫外区域，并且ZnO具有较高的光增益和能量转换率以及高的光响应，在紫外光电探测器领域有巨大的应用价值。

ZnO薄膜掺杂了AL、Ga、In等在可见光区域具有高的透射率和低的电阻率，而且在氢等离子气氛处理中有较高的化学稳定性和热稳定性，n型Zn0是一种良好的透明电极材料和宽禁带窗口材料，可以代替氧化铟锡（ITo）薄膜应用于太阳能电池平板显示。

ZnO是在集成光电器件中的一种极具潜力的材料，因为它位于400～2000nm甚至更长的波长范围内都显示出透明薄膜的特性，另外还具有光电，压电等效应。在Si基半导体上沉积ZnO薄膜的材料，可以形成将电学、光学以及声学进行单片集成的器件。

2.2压电方面的应用

Zrlo晶体常态下为没有对称中心的六边钎锌矿结构，c轴方向具有极性，Zn和O有着不同的极性面，有着低的介电常数和高的耦合系数，所以ZnO薄膜结构可以作为一种良好的压电材料，能够用来制造压电转换器，例如：高频纤维声光器件、声光调制器等。Zn0压电薄膜较为成熟的应用是表面声波（SAW）器件。SAW所需要的是ZnO薄膜结高度的c轴取向性，还要有高电阻率用来提高薄膜的声电转换率的；还有薄膜的表面平整、晶粒小、晶体缺陷少这些有很高的要求，为了减少能耗。ZnO用于传感器方面就是在低频方面的运用，然会有直流电致损耗，高频方面就不存在这个缺点。另外ZnO有很好的高频特性，当数字传输和移动通信信息传输量增大时，SAW也需要不低于lGHz的高频特性，因此ZnO压电薄膜在高频滤波器、光波导、谐振器等领域有着广阔的应用前景。

3 ZAO薄膜未来研究工作的方向

透明特性和优异的光电性能是掺铝氧化锌薄膜本身具有的，所以ZAO存在着广泛的潜在应用价值，受到人们的极大关注并已得到广泛地研究。然而尽管人们对薄膜有了一定的认识，也在研究上取得了一些很好的结果，但与实际应用中高性能光电器件所要求透明导电薄膜性能还有一定的差离。

参考文献：

[1]郭铁锁.Zn0薄膜的发光特性分析[J].榆林学院学报，2007，l7（2）.

作者简介：

邢源，男（1989年5月28日～），山西晋城人，身份证号：140502198905289556，本科学历。

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