ZnO半导体材料及器件.doc

ZnO半导体材料及器件 【摘要】在过去的十多年时间里里,ZnO作为半导体具有独特的性质而倍受瞩目和广泛研究。例如，ZnO具有较高的电子迁移率，是直接带隙半导体，具有较宽的禁带宽度和较大的激子束缚能。在光电器件的应用上，ZnO已经被认为是一种很有潜力的材料，而制造高质量的p型ZnO是实现其应用的关键。由本征缺陷或者氢杂质引起的较强的自补偿效应使得通过掺杂来制得p型ZnO半导体非常困难。尽管如此，通过研究者们的努力，在制备高质量的p型ZnO半导体和基于ZnO的器件上已经取得了很大的进步。 【关键词】p型ZnO；ZnO器件 1997年D. M. Bagnall等人在室温下得到了ZnO薄膜的光泵浦受激发射[1]。美国Science杂志以“Will UV Lasers Beat the Blues?”为题对该结果作了报道.由此，掀起了对ZnO的研究热潮。D. M. Bagnal等利用等离子体增强分子束外延在蓝宝石的（0001）衬底上生长的ZnO薄膜，在室温下、阈值激励强度为240kW cm-2的条件下发出了激光（见下图）。 一、ZnO的性质 （1）ZnO作为一种新型的直接宽带隙光电半导体材料，其晶体结构与GaN一致，晶格常数与GaN的非常接近，在电子和光电子器件应用方面具有很多吸引人的特征与优点。 （2）ZnO的直接带隙很宽（Eg~3.37 eV 在300 K下），与GaN的相当（Eg~3.4 eV 在300 K下）。而GaN已经广泛应用于制作绿光、蓝光以及白光发光器件。 （3）室温下ZnO的激子束缚能高达60meV，是GaN(约24meV)的2倍，也比室温热离化能(25meV)高许多，激子复合可以在室温下稳定存在，也可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发射，且激射阂值比较低。如此高的激子束缚能能够提高发光效率。 （3）通过掺杂Cd或者Mg,ZnO的禁带宽度（Eg~3.37 eV）可以有效地在3~4.5eV之间调整. （4）ZnO薄膜可以大面积、均匀地生长在多种衬底上，这样就具有更加广泛的应用范围，而GaN薄膜只能生长在一些如SiC、蓝宝石、Si等特定的衬底上。而且，ZnO可以生长在同质衬底上，而GaN不行。 （5）ZnO可以在相对较低的温度下生长，所使用的衬底多种多样，既可以生长在单晶衬底(如ZnO、蓝宝石A12O3、Si等)上，也可以生长在非晶衬底(如玻璃、塑料等)上。高质量的ZnO薄膜的生长温度大约为500℃，远低于GaN（1000℃） （6）ZnO还具有更加简单的晶体生长工艺，因此基于ZnO器件的成本也将更加低廉。 （7）ZnO单晶中电子的室温霍尔迁移率在所有的氧化物半导体材料中是最高的，约为200 cm2V-1s-1，略小于GaN的电子迁移率，但其饱和速率却比GaN的高。 （8）除了体单晶和薄膜之外，ZnO的纳米结构异常丰富，纳米结构的高比表面积使之非常适合应用于传感与探测领域。 （8）ZnO具有良好的抗辐射性能，因而可以在太空或核应用等恶劣的环境下工作。此外，ZnO还具有热稳定性高、生物兼容性好、带隙宽度调节的合金体系(ZnMgO和ZnCdO)完备、体单晶易得、刻蚀工艺简单等优点，而且原料丰富、价格低廉、无毒无污染，是一种绿色环保型材料。基于以上特性，ZnO被认为是新一代的光电半导体材料，具有广阔的应用前景，在全球范围内掀起了研究热潮。 下表是ZnO和GaN性质的对比： 二、p型ZnO生长技术 ZnO材料由于存在大量的本征缺陷以及杂质的自补偿效应,使得原生的ZnO材料表现为n型导电,实现可重复稳定高效低阻的p型ZnO薄膜具有较大的挑战性。为了实现ZnO在光电器件上的应用，研究人员已经用了多种生长方法去获得低电阻率的p型ZnO材料，比如脉冲激光沉积法（PLD），分子束外延（MBE），金属有机化学沉积（MOCVD），磁控溅射等。 MBE F. X. Xiu等首次用分子束外延（MBE）制备了掺杂Sb的p型ZnO薄膜[2]。室温下，其电阻率低至0.2Ωcm（见下图），并且具有高达1.7×1018cm-3的空穴浓度和20.0cm2/Vs的Hall迁移率。下图显示了Hall迁移率μＨ随着温度的变化，插图是电阻率随着温度的变化曲线。在40K，测得的μＨ值为1900.00cm2/Vs，而在300K，测得的μＨ值为20cm2/Vs。他们还测量了不同温度下的PL谱，从中得出Sb掺杂的受主能级大约比价带高0.2eV。以上的实验结果说明，制备p型ZnO，Sb是非常好的掺杂剂。 2.MOCVD Yen-Chin Huang等人采用在大气压下MOCVD，在GaAs(100)衬底上制备ZnO薄膜[3]，他们分别用二乙基锌（C4H10Zn)和去离子水作为锌源和氧源，然后在不同的温度下（500~650℃）下退火处理。下图展示了电阻率，Ha