氧化锌(zno)半导体材料具有较宽的带隙和较高的激子束缚能,,照明.pdfVIP

氧化锌(zno)半导体材料具有较宽的带隙

和较高的激子束缚能,,照明

毕业设计

摘要

纤锌矿结构氧化锌（ZnO）是一种宽禁带的直接带隙氧化物半导

体材料，它具有低介电常数、大光电耦合系数、高化学稳定性、

高的激子结合能以及优良的光学、电学及压电特性等，因此在许

多方面有着潜在的使用价值，可广泛的应用于太阳能电池、压电

薄膜、光电器件、气敏器件和紫外探测器等方面。

对于ZnO材料的研究，我们已经取得了很大的成就，但是这些

研究主要是集中于其材料的实验制备、功能和电子结构等理论工

作。近年来，过渡金属掺杂ZnO等稀磁半导体材料成为了人们的

研究方向，激起了人们的研究欲望。通过对氧化锌进行过渡金属

的掺杂，能改变它的特性，同时也具有铁电性，所以成为了集成

光电器件中一种极具潜力的材料。

关键词：

1绪论

1.1引言

当前，人类社会已经进入了一个全新的信息化时代，信息的传

输、处理、存储等过程都是通过电子和光子来参与实现的，光电

子在信息技术领域中起到了举足轻重的作用。上个世纪，人们制

备出了红外发光二极管LED和LD，实现了光通信和光信息处理。

随着社会经济的快速发展，人们对于信息技术的要求也越来越高，

一直在不断的研究中寻求新的技术。

最近，ZnO材料由于其优越的性能引起了人们的研究热情。氧

化锌(ZnO)作为一种新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料，具

有禁带宽度大（约

3.37eV），相比与其他的宽带隙材料，其激子束缚能高达60meV，

这使得ZnO在室温下有更高效率的机子发光，是一种在紫外和蓝

光发射方面很有前途的新型光电子材料。ZnO材料的出现，让人

们意识到了这种半导体材料在制备短波长发光器件中的研究潜

力。

1.2掺杂氧化锌的研究背景

自从20世纪初透明导电氧化物（TCO）被发现，人们便开始在

各种衬底沉积该种薄膜以使其用途多样化，现已在太阳能电池、

液晶显示器、气体传感器、紫外半导体激光器以及透明导电薄膜

等方面具有广泛的应用。通过各种不同的掺杂，氧化锌(ZnO)能具

有很好的光电性能，是光电器件极具潜力的材料.。例如：掺Li的

ZnO具有铁电性，可以开发为铁电器件；掺Al、In的ZnO薄膜

导电性好，透过率高，可以用于平板显示器和太阳能电池的透明

电极；掺Li、Mg具有很好的光电性质，现已广泛用于光电开

关等光电器件。现在对掺杂ZnO薄膜的结构、光学、电学和磁学

性质的研究成为国际热点之一。

目前Mg摻杂ZnO薄膜作为一种新兴的光电材料，引起了人们

的浓厚兴趣,通过改变Mg的含量可使禁带宽度从3.2～7.8eV连

续可调，从而可以制得覆盖从蓝光到紫外广谱区域的半导体激光

器，带隙连续可调性可以用来作为ZnO/Mg摻杂ZnO半导体量

子阱及超晶格等结构的势垒层。因此，对Mg掺杂ZnO薄膜的制

备和性质研究是一项很有意义的课题。近年来，通过理论计算我

们已经预言了Mg摻杂的P型ZnO的居里温度高达300K以上，同

时显示出铁磁性，因此很多研究者都对Mg摻杂的ZnO产生了浓

厚的兴趣，认为它是一种很有前景的稀磁半导体材料（稀磁半导

体是自旋电子学领域一个重要的研究内容，稀磁半导体

(dilutedmagneticsemiconductor，简称DMS)又称半磁半导体，是

指由磁性过渡金属离子和

稀土金属离子部分替代非磁性阳离子后形成的一类半导体材料）

在自旋电子学方面有着重要的应用。

Dietl等理论计算了各种稀磁半导体材料的居里温度，结果表明

在具有宽禁带的氧化物半导体ZnO中掺入磁性离子后，可能制备

出具有室温磁性的稀磁半导体；Sato等通过第一性原理计算，证

明了过渡金属元素(Mn，V，Cr，Fe，Co，Ni)掺入ZnO中，

其磁矩表现为铁磁有序。ZnO基材料中的铁磁行为意味着可能制

备出新型ZnO透明铁磁性材料，在微电子技术领域将具有广阔的

应用前景，已成为当今材料科学研究中的一个热点。

1.3本论文的研究内容

ZnO薄膜是直接带隙半导体，具有很好的光电性质，对紫外光有

较为强烈的吸收，在可见光区，光透过率接近90%。ZnO薄膜的

光电特性与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶密度相关，

在适当的制备条件及掺杂条件下，ZnO薄膜表