体块氧化锌单晶生长的研究进展

体块氧化锌单晶生长的研究进展

张素芳1,2，姚淑华1

，王继扬1，宋 伟1

(1. 山东大学，晶体材料国家重点实验室，济南 250100；2. 衡水学院应用化学系，河北 衡水 053000)

摘 要：氧化锌(ZnO)是一种极其重要的半导体材料，具有宽带隙(3.37 eV)和高激子结合能(60 meV)，适合制作短波长发光二极管和激光二极管。综述了体块ZnO 单晶的主要生长方法：化学气相输运法、水热法、助溶剂法的原理和优缺点；着重探讨了水热法和助溶剂法的生长参数及所生长ZnO 单晶的特征；结合KOH+H 2O 体系，论述了助熔剂法的反应机理。介绍了体块ZnO 单晶中存在的缺陷及其对ZnO 性质的影响。

关键词：氧化锌单晶；化学气相输运法；水热法；助熔剂法；缺陷

中图分类号：O782 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2009)02–0325 –06

RESEARCH PROGRESS ON GROWING OF BULK ZnO SINGLE CRYSTAL

ZHANG Sufang 1,2

，YAO Shuhua 1，W ANG Jiyang 1，SONG W ei 1

(1. State Key Laboratory of Crystal Materials, Shandong University, Jinan 250100; 2. Department of Applied Chemistry,

Hengshui University, Hengshui 053000, Hebei, China)

Abstract: Zinc oxide (ZnO) is an exceptionally important semiconductor material. Due to the wide band gap energy (3.37eV) and large exciton-binding energy (60 meV), it is suitable for making short-wavelength light-emitting diodes and laser diodes. Bulk ZnO single crystal growth methods, including chemical vapor transport, the hydrothermal process and the flux method, are summarized. The principles as well as the advantages and disadvantages of these methods are reviewed. The growth parameters and characteristics of ZnO single crystals grown by the hydrothermal and flux methods are discussed in particular. The growth process and formation mechanism of ZnO crystal in KOH+H 2O molten solution is described in detail. The growth defects and their influence on ZnO prop-erties are also discussed.

Key words: zinc oxide single crystal; chemical vapor transport method; hydrothermal method; flux method; defect

氧化锌(ZnO)是一种重要的Ⅱ–Ⅵ族直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度为3.37 eV ，[1] 是近年来材料研究的热点之一，ZnO 具有对低阈值激射有益的大的激子结合能(60 meV)，在高品质基片方面的实用性，掺入过渡金属时的p 型传导性和铁磁行为。[2]

常见的ZnO 属六方晶系，纤锌矿结构，点群为6 mm ，空间群为P 63mc ，Z =2，a =0.324 88 mm ，c = 0.519 69 nm 。[1] ZnO 晶体中，Zn 离子和O 离子沿c 轴交替堆积，(0001)面终结于正电荷Zn 离子，(0001)面终结于负电荷O 离子，因此，ZnO 单晶具

有极性，(0001)面与(0001)面的物理化学性能差别

很大。[3]

ZnO 薄膜中还存在其它结构类型，如闪锌矿型和亚稳NaCl 型。[4]

目前ZnO 的主要研究方向是薄膜、

[5–7]

纳米[8–10]和体块单晶，热点是薄膜和纳米，不过无缺陷体块

ZnO 单晶的生长同样具有不可替代的作用。

[11]

鉴于此，详细总结了体块ZnO 单晶生长的研究进展，并介绍了晶体中存在的缺陷及其对材料性能的影响。

1 体块ZnO 单晶的生长技术

ZnO 晶体在1 975 ℃同成分熔化，在较高的温

收稿日期：2008–05–15。 修改稿收到日期：2008–08–16。 基金项目：国家自然科学基金委重大基金(11250005150502)资助项目。 第一作者：张素芳(1972—)，女，博士研究生。 通讯作者：王继扬(1946—)，男，教授。

Received date: 2008–05–15. Approved date: 2008–08–16.

First author: ZHANG Sufang (1972–), female, postgraduate student for

doctor degree.

E-mail: iamzhsufang@

Correspondent author: WANG Jiyang (1946–), male, professor. E-mail: jywang@

第37

卷第2期 2009年2月

硅 酸 盐 学 报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

Vol. 37，No. 2 February ，2009