ZnO薄膜材料ppt课件

GaN 六方 3.4eV
ZnSe 闪锌矿 2.7eV
ZnS 闪锌矿 3.6eV
激子束缚能
60meV
25meV
22meV
40meV
a(nm)
0.325
0.319
0.567
c(nm)
0.520
0.519
------
熔点
1970
1700
1520
图1 几种宽禁带半导体材料的比较
0.541 ------1850
导电类型
数值 3,36 小于104 60 0.24
5 8.5 3.9
3.0 N型
ZnO的基本性质 • 2、ZnO的光学性质 • ZnO是直接带隙半导体，在可见光波段的透射率很高（达到 90%）。
图2 ZnO薄膜的透射光谱
ZnO的基本性质 • ZnO的光致发光谱分为可见发光和紫外发光两个部分。
图3 ZnO薄膜的荧光光谱
出有较好晶体质量的ZnO薄膜。 • ZnO薄膜的原料丰富、成本低、无毒、对环境无污染，是环保型材
料。
ZnO薄膜研究进展
• 1996 年全球第一篇关于“ZnO 微晶结构薄膜在室温下光泵浦紫外 受激发射”的报道公布。
• 1997年报道了一种新型的ZnO 半导体激光器——能够产生迄今为止 最短波长的紫外光辐射。
ZnO薄膜制备方法的比较
制备方法
优点
缺点
分子束外延法
精确控制薄膜生长条件， 工艺可靠性高
设备昂贵，设备日常维 护费用高，真空度要求 高，薄膜生长速率慢等
MOCVD
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
易实施多种元素的掺杂， 生长速率较快，反应难
灵活调整薄膜的组分
以控制
激光脉冲沉积
装置简单，生长效率高, 各种生长参数独立可调,
易于实现多层膜生长
结晶质量易受工作气压 影响
喷雾热分解法
不需要真空设备 ，工艺 简单经济 ，易于掺杂
ZnO薄膜的应用
• 1、短波长光电子器件
• ZnO具备了发射蓝光或紫光的优越条件，可以开发出紫 光、绿光、蓝光等多种发光器件。
• 在室温下高质量的 ZnO薄膜紫外激射的实现，使其成为 一种理想的短波长发光器件材料。
ZnO薄膜的应用
ZnO的基本性质
图4为n-ZnO和p-ZnO的低温(20K)荧光光谱(PL)。ZnO的紧束缚激子带边 发射峰分别位于3.36eV和3.32eV，由于n型ZnO激子能量为60meV，由此 可以得到掺砷的p-ZnO激子能量为1OOmeV，砷在禁带中引入的能级很浅 ，因而有可能实现p型ZnO的重掺。
图4 ZnO薄膜低温(20K)荧光光谱(PL)
简介
• ZnO 材料的优点： • ZnO薄膜的生长温度低于700℃，有利于降低对设备的要求和能耗。 • ZnO薄膜在室温下有较低的闲置功率，有较高的能量转换效率。 • ZnO有较高的激子复合能，制备出较好性能的探测器、LED和LD等光
电子器件。 • ZnO有很好的成膜特性，常用的薄膜技术都能在较低的温度下制备
ZnO的基本性质
• 3、ZnO的电学性质 本征ZnO薄膜由于存在O空位和Zn间隙，呈现n型导电特
性，载流子浓度约为1017 • cm-3,电阻率高于106 Ω • cm。 通过掺杂ⅢA族元素可以得到性能良好的n型薄膜，载流子 浓度约为1019- 1020• cm-3,电阻率高于10-5 – 10-3 Ω • cm.p 型薄膜的制备则具有很大的难度，目前仍然是研究的热点 之一。
特性
禁带宽度/eV
本征载流子浓度 /cm-3
c0/nm
0.52069
激子束缚能/meV
a0/c0
1.602
电子有效质量
折射系数 熔点/℃ 密度/（g.cm-3) 热导率 压电常数
2.008（a0）， 2.029（c0） 1975
5.606
0.6（a0）,1-1.2 （c0） 8.656
硬度（莫氏）
介电常数 热膨胀系数 （ppm/℃） 电子亲和能（ev）
ZnO的基本性质
ZnO同质结的阈值电压很低，为0.1-1.OV。这能够使以ZnO基的 光电子器件有较低的功耗和较长的寿命。
图5 p-ZnO:As/n-ZnO:Al的I一v特性曲线
ZnO的基本性质
• 5. ZnO 薄膜的压敏特性 • 高密度、定向生长的ZnO薄膜是一种具有良好压电性质的材料。
表2 ZnO 薄膜的压电性能表
管的原形器件。
ZnO的基本性质 • 1、ZnO的晶体结构
• ZnO有三种不同的晶体结构：立方岩盐矿结构（a）、闪锌矿结构 （b）、六方纤锌矿结构（c）。其中六方纤锌矿结构是ZnO的热稳定 相。
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ZnO的基本性质
表1六角纤锌矿Zn0的基本属性（室温）
特性 稳定相
a0/nm
数值 纤锌矿结构
0.32495
ZnO薄膜材料
简介
研究进展
基本性质
ZnO 薄膜
应用
制备方法 比较
简介
随着半导体技术的发展，ZnO作为第三代半导体材料，引起了人们 的广泛关注。其具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小等 特点，可以制作蓝绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。
材料 晶体结构 禁带宽度
ZnO 六方 3.37eV
• 在玻璃上长ZnO，制备出的SAW滤波器，非常适合于电视 的UHF和VHF频段，因为它有很高的效率、很低的成本。
ZnO薄膜的应用
• 4. 气敏传感器 • ZnO是一种气体敏感材料，其经某些元素掺杂之后对有害性
气体、可燃气体、有机蒸汽等具有很好的敏感性，可制成 各种气敏传感器。未掺杂的ZnO对还原性、氧化性气体具有 敏感性。
• 2、透明导电膜 • ZnO在可见光区域有着非常高的透过率，因此可以用它 生产透明导电薄膜，其优点是成本低、无毒、稳定性高、 易大规模生产，主要用于太阳电池。
ZnO薄膜的应用
• 3、表面声波器件 • ZnO 薄膜的高电阻率与单一的 C 轴结晶择优取向决定 了它具有良好的压电常数与机电耦合系数，可用作各种压 电、压光、电声与声光器件，是一种非常理想的制备表面 声波器件的材料。
ZnO薄膜的应用
• 5、建筑材料 • ZnO 薄膜还可用作玻璃窗的热反射涂层，以增加建筑物 的能量利用率; 用作紫外光阻挡层可有效防止有害紫外线 辐射。
谢谢！
• 1998年，Z.K.Tang等人的研究小组报道的ZnO薄膜在3.0μJ/cm2下 激子增益为 320/cm，高于同条件下 GaN 的激子增益，在 LD 等领 域显示出很大的开发应用潜力。
• 2000年C.Look 等人从理论上研究了解决 p 型 ZnO 的方案。 • 2001年，R.Ryu和 X.L.Guo等人报道了ZnO材料 p-n 结和 ZnO 发光