Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｉｓｉｏｎ 职校科技 科技视界 ２０１２年０５月第１４期 ＺｎＯ薄膜材料制备技术及其应用领域研究 姜明 崔传文 （山东信息职业技术学院 山东【摘潍坊２６１ ０６１） 要】近几年，Ｚｎ０作为宽禁带半导体受到人们越来越多的重视。和目前最成功的宽禁带半导体材料ＧａＮ相比，ＺｎＯ具 有很多优点。本文综述了ＺｎＯ薄膜的制备的主要方法及其优缺点。并深入探讨了ＺｎＯ薄膜材料的应用及其发展前景。 【关键词】ＺｎＯ薄膜；应用；微电子 近几年．由于短波长激光二极管ＬＤ激光器的前景，人们 对宽禁带半导体的研究产生了极大的兴趣。目前已经制造出 ＧａＮ和ＺｎＳｅ基的蓝光发光二极管和激光器。蓝色发光器件 脉冲激光沉积技术（ＰＬＤ）的使用可以追溯到２０多年前， 瞬间蒸发的等离子体有充足的动能，在相对较低的衬底温度 下能够沉积高质量的ＺｎＯ薄膜，薄膜组分也能够精确控制； 而且非接触加热，无污染，适宜于超高真空下制取高纯薄膜。 脉冲激光沉积生长速率较低，一般－－４，时生长几十到几百个 纳米，生长的ＺｎＯ薄膜的质量很好，因此可实现原子层状生 长．也可以用来制备ＺｎＯ／ＣｄｘＺｎ ０和ＺｎＯ／ＭｇｘＺｎ Ｏ多层结 构材料 由于蒸发ＺｎＯ陶瓷靶材会导致微量ＺｎＯ分解，沉积在衬 的研制成功，使得全色显示成为可能，而且可以制作出高亮 度和高效率的白光发射器件。本文系统综述了ＺｎＯ薄膜的制 备的主要方法及其优缺点。并探讨ＺｎＯ薄膜材料的应用前 景。 １ ＺｎＯ薄膜的制备技术 １．１磁控溅射 底上的ＺｎＯ薄膜会有较多的空位，因此在生长室中通入一定 量的０。是生长化学计量比的ＺｎＯ单晶体的关键。ＰＬＤ法生 长ＺｎＯ薄膜的衬底温度相当高，这有利于ＺｎＯ的晶体生长， 但对界面要求苛刻的应用场合却是一个大问题。 １．４金属有机化学气相沉积（ＭＯＣＶＤ） 磁控溅射是建立在气体辉光放电基础上的一种薄膜制 备技术。磁控溅射按工作电源可分为直流（Ｄｃ）磁控溅射和射 频（ＲＦ）溅射两种。直流磁控溅射一般以金属ｚｎ为靶材，以Ａｒ 和Ｏ 的混合气体为溅射气氛。射频磁控溅射一般用晶体作 为射频振荡器．射频频率一般在５～３０ＭＨｚ之间，溅射用的靶 材一般为粉末烧结的陶瓷ＺｎＯ，为保证化学计量比，一般在 金属有机化学气相沉积（ＭＯＣＶＤ）是一种广泛用来生长半 导体和氧化物外延薄膜的技术。目前，这项生长技术己发展 到相当成熟的阶段．在工业生长中得到了广泛的应用。 用ＭＯＣＶＤ生长ＺｎＯ薄膜，一般用二甲基锌（ＤＭＺ）或二 溅射气氛中掺人一定比率的０：。溅射气氛有氩氧混合气和纯 氧两种。在溅射过程中，辉光放电产生的正离子经电场加速， 轰击阴极靶材，通过动量交换，将靶材以原子、离子和二次电 子等形式剥离。辉光放电可以通过调节合适的气氛达到自 持。 乙基锌（ＤＥＺ）作为锌源。０源一般有０：，ＣＯ ，Ｎ ０和醇类。目 前，人们普遍采用ＤＥＺ作为ｚｎ源，纯Ｏ 作为氧源。ＤＥＭ的 蒸气压比ＤＭＥ低，用它生长ＺｎＯ，更容易控制生长速率，有 利于控制膜厚和晶粒尺寸的均匀性，有利于提高电子迁移 率。 ＭＯＣＶＤ法制备ＺｎＯ薄膜的质量随着该技术近年来飞速 １．２离子束溅射和电子束蒸发 高能离子从离子枪喷射到陶瓷靶上，离子与靶材粒子作 动量交换，靶材原子被轰出靶面，溅射粒子在加热的衬底表 面与氧气反应，形成薄膜ｌｌｌ。在溅射系统上装上反射高能电子 衍射装￣（ＲＨＥＥＤ），可以对薄膜生长进行原位监测。电子束蒸 发与离子溅射的原理基本一致，只是电子蒸发时．入射到靶 面的是电子束。 １－３脉冲激光沉积（ＰＬＤ） 发展有显著地提高。目前，ＭＯＣＶＤ是几种能稳定生长单晶 ＺｎＯ薄膜的方法之一。综合来看，ＭＯＣＶＤ是一种生长高质量 ＺｎＯ薄膜的先进设备，很适用于ＺｎＯ薄膜的超高频ＳＡＷ器 件和光电子器件应用研究开发。 １．５分子束外延（ＭＢＥ）技术 作者简介：崔传文（１９８３一），男，山东烟台人，硕士，研究方向为薄膜材料，山东信息职业技术学院。 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＶＩＳＩＯＮ科技视界ｌ １ １ ５ ｌ ｉＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｉｓｉｏｎ ２０１２年０５月第１４期 科技视界 职校科技 分子束外延（ＭＢＥ）是系统维持高真空度和衬底原子级清 洁的条件下，通过原子、分子或离子的物理沉积实现外延生 长。用分子束外延生长ＺｎＯ薄膜，一般是在超高真空ｆｕＨｖ）环 境下，将置于Ｋｎｕｄｓｅｎ室中的金属ｚｎ加热蒸发．ｚｎ原子与０ 原子在衬底表面吸附后发生反应，结晶形成ＺｎＯ薄膜。 液ＰＨ越小，薄膜对ＣＨ４敏感程度越高。而掺Ｓｎ，Ａ１形成的 ＺｎＯ：Ｓｎ、ＺｎＯ：Ａ１薄膜可检测乙醇蒸汽，在６７５Ｋ下敏感度最 高，Ｇ／Ｇｏ＝１９０。Ｋｗｏｎ等人还利用多元掺杂制得ＺｎＯ薄膜． ４．Ｏｗｔ％Ａｌ￣Ｏ３、１．０ ｗｔ％ＴｉＯ２、０．２ｗｔ％ＶｚＯ５，作为气敏层．可检测三 甲胺气体。 ２．４压敏器件 ＺｎＯ因其非线性系数高，电涌吸收能力强，在电子电路 ２ ＺｎＯ膜的应用 ２．１压电器件 等系统中被广泛用来稳定电流，抑制电涌及消除电火花。但 通常烧结成瓷、划片所作的压敏电阻，因工艺限制．很难做到 很低的压敏低压。而采用ＺｎＯ薄膜便可做到较低的压敏低 ＺｎＯ薄膜具有优良的压电性能，如高机电耦合系数和低 介电常数，是一种用于体声波（ＢＡＷ）尤其是表面声波（ＳＡＷ）的 理想材料。 ２．２太阳能电池 ＺｎＯ薄膜尤其是ＡＺＯ（ＺｎＯ：ＡＩ）膜，具有优异的透明导电 性能，可与ＩＴＯ（Ｉｎ２０，：Ｓｎ）膜相比。而且相对ＩＴＯ膜，ＺｎＯ膜无 压。贾锐等人用喷雾热分解法在３５０￣Ｃ下合成了ＺｎＯ：Ｂｉ：Ｏ，： ＭｎＯ：＝９９：０．５：０．５的薄膜，６５０￣Ｃ下退火１ｈ，发现薄膜具有ｅ 轴取向，压敏电压为１３．１５Ｖ，非线性系数ｏｒ＝８．０９。 毒性，价廉易得，稳定性高，正逐步成为ＩＴＯ薄膜的替代材 料，在显示器和太阳能电池等领域得到应用。 ＺｎＯ主要是作为透明电极和窗口材料用于太阳能电池， ３结论 近几年，由于短波长ＬＤ、ＬＥＤ在信息领域具有很大的应 用前景，人们对宽禁带半导体的研究产生了极大的兴趣。 ＺｎＯ材料无论是在晶格结构，晶格常数还是在禁带宽度上都 与ＧａＮ很相似，对衬底没有苛刻的要求而且很容易成膜。本 文系统综述了ＺｎＯ薄膜的制备的主要方法，并探讨ＺｎＯ薄 ＺｎＯ受高能粒子辐射损伤较小，因此特别适合于太空中使 用。Ｇｒｏｅｎｅｎ等人利用扩展热等离子束技术制得ＺｎＯ：Ａ１薄 膜，（ｐ＜１０－３１＂ｈ￣ｍ，Ｔ＞８Ｏ％），不含ｃｄ、ｓｎ等元素，用于ｐ－ｉ一／１结构 ｏ／一Ｓｉ：Ｈ太阳能电池，其效率为７．７％。ＺｎＯ薄膜中还可掺人Ｂ 来增加电学性能的稳定性。用氢等离子处理的ＺｎＯ：Ｇａ薄膜 也可作为太阳能电池的窗口材料， ＝１３％。 ２．３气敏元件 膜材料的应用前景。ｅ 【参考文献】 ［１］Ｎｉｓｈｉｚａｗａ Ｓ．，Ｔｓｕｒｕｍｉ Ｔ．，Ｈｙｏｄｏ Ｈ．，ｅｔ ａ１．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ＺｎＯ／ＮｉＯ ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，１９９７（３０２）：ｌ３３—１３９． ＺｎＯ薄膜光电导随表面吸附的气体种类和浓度不同会 发生很大变化，据此特点，ＺｎＯ薄膜可用来制作表面型气敏 器件，通过掺入不同元素，可检测不同的气体，其敏感度用该 气氛下电导Ｇ与空气中电导Ｇ０的比值Ｇ／Ｇｏ来表示。Ｂａｅ、 ［２］贾锐，武光明，宋世庚，等．喷雾热分解法制备ＺｎＯ系低压压敏薄 膜［Ｊ］．硅酸盐学报，１９９９（２７）：５０５—５０７． Ｔａｎ等人用Ｓｏｌ—ｇｅ１分别合成了ＺｎＯ薄膜气敏元件，对ＣＯ、 Ｈ 和ＣＨ 等均有较高的敏感度，试验表明：配制的前驱体溶 ［责任编辑：王静］ （上接第２６０页）７经济收益计算 对此次实验的各４批装有新旧两种形式的搅拌进行经 济收益计算： （５．８８＋６．０１＋５．７７＋５．９８）一（５．７１＋５．９１＋５．８０＋５．８８）＝０．３４ 其他运行费用的条件下，每批罐多收入６６４７．８５元。 ８讨论 安装新式Ｕ型搅拌能明显的增加产品收入，我们将继续 致力于进行科技攻关，为提高青霉素产量增加产品收入努 （０．３４／４）＊１９７．５＂１００＝１６７８．７５即安装ｕ型搅拌比直叶搅 拌每批多出总亿１６７８．７５。 力。ｅ 【参考文献】 ［１］熊宗贵．发酵工艺与原理【Ｍ】．中国科学技术出版社 按现在车间三步收率７２％计算出，则 每批多出钾盐１６７８．７５＊０．７２＝１２０８．７总亿，即１２０．８７十 亿。 按现在钾盐价格５５元／十亿计算，则 １２０．８７＊５５＝６６４７．８５元．即安装新式ｕ型搅拌在不增加 ［责任编辑：周娜］ １ １ ６ｌ科技视界ｓｃＩＥＮｃＥ＆ＴＥｃＨＮ。Ｌ。ＧＹ Ｖ ｓ 。Ｎ