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znoZnO薄膜的必威体育精装版研究进展 1 zno薄膜的应用 zno是一种新型的-它是的同义词。与gan有类似的晶常数和禁带宽度。原料方便，而且zno具有更高的铬合金和更高的扭转能力，其机械耦合性能也非常优秀。此外,ZnO薄膜的外延生长温度较低,有利于降低设备成本,抑制固相外扩散,提高薄膜质量,也易于实施掺杂。ZnO薄膜所具有的这些优异特性,使其在表面声波、太阳能电池等诸多领域得到了广泛的应用;随着ZnO光泵浦紫外受激辐射的获得和p型掺杂的实现,ZnO薄膜作为一种新型的光电材料,在紫外探测器、LEDs、LDs等领域也有着巨大的发展潜力。 1999年10月,在美国召开了首届ZnO专题国际研讨会,会议认为“目前ZnO的研究如同Si、Ge的初期研究”。现在,世界上逐渐掀起了ZnO薄膜研究开发应用的热潮,文章详细介绍了ZnO薄膜在其特性方面的必威体育精装版研究进展。 2 薄膜afm形貌 ZnO晶体为六方纤锌矿结构,每个锌原子与4个氧原子按四面体排布,如图1所示。晶格常数为a=0.325nm,c=0.521nm,其相应参数如表1所示。但ZnO晶体难以达到完美的化学计量比,天然存在着锌间隙与氧空位,为极性半导体,呈n型。 优质的ZnO薄膜具有c轴择优取向生长,图2为本实验室利用直流反应磁控溅射技术制得的c轴取向ZnO薄膜的二维AFM形貌图,表面由许多近六边形紧密排列而成,其对角线长约150nm。 ZnO晶体室温禁带宽度约为3.3eV,是典型的直接带隙宽带半导体。也有报道,其禁带宽度为3.1eV、3.2eV,一般认为这是由生长应力、热失配应力和掺杂原子引起的,V.Srikant等人的研究表明,在3.15eV时存在着价带、施主能级间的跃迁,因此测出的3.1eV、3.2eV实质上不是禁带宽度。ZnO薄膜中掺入Mg、Cd能有效调节禁带宽度,图3所示为Zn1-xMgxO混晶薄膜禁带宽度随组分的变化,x=0时为3.3eV,x=0.46时增至4.20eV,而(ZnO)x(CdO)1-x薄膜,其禁带宽度则可在2.29eV(x=0)至3.3eV(x=1)之间变化。 3 载流子浓度的影响 ZnO薄膜在可见光区域透射率可达90%,电阻率可降至10-4Ω·cm,是一种理想的透明导电薄膜。 N.Benramdane等人详细研究了ZnO薄膜的光学性质,如图4所示。ZnO∶Al(AZO)膜更具有优异的透明导电性能,为直接带隙简并半导体。J.H.Hu等人以二乙基锌(DEZ)、乙醇和三乙基铝(TEA)作为反应气,利用常压MOCVD技术得到AZO薄膜,研究表明:载流子浓度(2.0～8.0)×1020cm-3,电阻率(3.0～8.0)×10-4Ω·cm,透射率T85%,红外折射率90%,霍尔迁移率为10.0～35.0cm2/v.s。H.Kim等人在200℃,666.61mPa O2分压下由PLD方法制得AZO薄膜,透射率T=91%,施昌勇等人则利用微波ECR等离子反应溅射制备出ρ=10-5Ω·cm,T80%的AZO膜。 进一步研究认为,AZO膜当Al含量为4%(原子分数)时,具有优良的性能,如图5所示,掺杂后光带隙发生蓝移,且能隙变化与载流子浓度的1/3次方成正比。M.Tadatsugu、B.M.Ateav等人还分别用磁控溅射和化学沉积的方法制得ZnO∶M(M=Sc、Y、Ga、Sn)薄膜,透射率大于85%,电阻率低于10-4Ω·cm,且具有与ZnO∶Al同样的稳定性。F.Masanohu 研究了ZnxOyNz薄膜的光学特性,透射率在80%左右,且随z的增大而减小。S.H.Keshmiri进一步指出,氢化对薄膜的透射率没有显著影响。 ZnO薄膜在压电和介电方面也具有优良的性能,压电系数d33=17pm/V,介电常数εr=7.5～10,在sol-gel的生长技术中,随薄膜沉积温度的升高,介电常数增大,但超过600℃反而降低。 4 zno薄膜的谐振腔 ZnO在紫外波段存在着受激发射是其显著优点,虽然在多年前便报道了低温下电致泵浦ZnO体材料的紫外受激发射,但随着温度的升高,发射强度迅速淬灭。近期,ZnO光泵浦紫外激光的获得和自形成谐振腔的出现,才掀起了人们对其研究的热情。1997年,D.M.Bagnall、P.Zu和Z.K.Tang等人分别用分子束外延的方法,在蓝宝石基片上生长出具有蜂窝状微结构的氧化锌薄膜,并观察到在室温下用光脉冲激发时产生390nm附近的近紫外激光发射,比GaN受激发射波长更短。同年5月“Science”第276卷以“Will UV Lasers Beat the Blues?”为题对此作专门报道,称之为“a great work”。 ZnO薄膜的谐振腔有两种形成方式:(1) 对于c轴择优取向的六角柱形ZnO薄膜,如图6所示,按照“Fabry-Perot模型”,六角柱形晶粒的边