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脉冲激光沉积制备MIM结构 信息工程学院 电子信息工程沈晓磊 指导老师 季振国 氧化锌（ZnO）是一种重要的宽带隙（室温下3.3 eV）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,它的激子束缚能高达60 meV,远大于GaN的25 meV和ZnSe的22 meV。ZnO具有六方纤锌矿结构，晶格常数a=0.3249 nm,c=0.5206 nm。ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化。这些优异的性质，使其具有了广泛的用途，如表面声波器件、平面光波导，透明电极，紫外光探测器、压电器件、压敏器件、紫外发光器件、气敏传感器等。在短波区域，ZnO可用于制造紫外发光器件和紫外激光器，对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用 。 压敏电阻器是其电阻值随电压灵敏变化的电子元件，它是基于压敏材料的非线性伏安特性工作的，己被广泛地应用于过压保护和稳压方面。SiC作为压敏材料的历史比较悠久，1908年即出现了SiC避雷器的研究。自从1968年日本松下公司首次研制成功了以ZnO作为主体的压敏电阻器以来，ZnO压敏电阻器的研究和应用得到了长足的发展，ZnO迅速成为制造压敏电阻器的主导材料。 Contents 1、压敏电阻的基本概念 压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。  非化学计量的ZnO晶体能带图 Sukker等人经过综合各方面的数据和理论分析，给出了与ZnO晶体的能带结构有关的常温电子学参数。根据这些数据，可以得到，纯净的ZnO由于存在固有原子点缺陷，使得晶体结构的周期性被破坏，在禁带中引入局域能级的能带结构，如图所示 ZnO压敏电阻的晶界能带 双肖特基势垒 求解泊松方程后，得到双肖特基势垒高度: ZnO压敏材料的导电原理 隧穿电流表达式为: ZnO压敏材料常用的性能参数 非线性系数、压敏电压、漏电流表示了压敏电阻器的小电流特性，通流能力、残压比则表示的是大电流特性。此外，表征压敏电阻器性能的参数还有电压温度系数、能量耐量，固有电容等，限于篇幅，在此只对常用的参数作以简单介绍。 ZnO压敏材料在各方面的应用及发展 ZnO压敏材料广泛应用于工业、铁路、通信、电力及家电等方面,尤其在过电压保护方面.用 ZnO压敏材料制成的 ZnO避雷器 ,可以用于雷电引起的过电压和电路工作状态突变造成电压过高.过电压保护主要用于大型电源设备、 大型电机、 电磁铁等强电应用中，也可用于一般电器设备的过电压保护。 ZnO压敏材料的未来是十分美好的： (1) 片式叠层化：近年来，随着电子产品的小型化、多功能化和表面帖装技术( S MT)的应用。 (2) 低压化：由于电子仪器的集成化，电路的电压也随之低电压化。 (3) 基础理论的研究有待深入，尤其是加强晶界现象、导电机理、缺陷理论等方面的研究。将计算机技术与材料研究相结合，以探讨 ZnO压敏材料的显微结构与导电机理等将可能受到人们关注。 3、激光脉冲沉积法的基本原理及ZnO薄膜的制备 目前国内外薄膜制备方法基本有：磁控溅射，喷雾热解，化学气相沉积，分子束外延技术，原子层外延生长法，脉冲激光沉积，溶胶-凝胶这几种方法，各种制备工艺各有优缺点。不同的制备技术及工艺参数决定了薄膜的结晶取向，薄膜厚度，表面平整度以及光电、压电等性质的差异。 国内外薄膜制备方法 PLD 在衬底上沉积ZnO薄膜的实验过程 4 、试验结果以及数据分析 PLD压敏特性图及（ZnO） 右图所示为不同温度下生长在Si衬底上的ZnO薄膜的X射线衍射图谱（XRD）由下图可知生长温度的不同对ZnO薄膜样品的影响都是很显著的。薄膜生长时氧气压强为1OPa，生长温度分别500℃，550℃，600℃，沉积时间均为2小时。为改善样品结晶质量，对样品进行了退火处理，退火温度均为650℃，并保温l小时。图示中所有样品的X射线衍射谱中衍射峰强度最大的均为ZnO的(101)衍射峰，出现在2θ为36.3处，还在2θ为33。4处存在非常弱的衍射峰。表明我们生长的样品为(101)择优的多晶薄膜。 在衬底温度为500℃时，(101)衍射峰强度很弱，而且不太对称。因为衬底温度低，所以在到达衬底的原子和离子中，很少有能得到足够的能量进行再蒸发或者沿表面方向迁移。但原子沿c轴方向生长的优势已经相当明显。ZnO(101)衍射峰的强度在500一600℃之间随生长温度的升高而显著增强，其它晶面的生长被抑制。(101)晶面的择优生长，表明晶体质量越来越好。因为高的生长温度有利于使吸附在衬底表面的残