【摘 要】本文介绍氧化锌薄膜的特性及应用前景。氧化锌是一种新型的宽禁带半导体材料其薄膜所具有的优异特性，在诸多领域有着广泛与有效的应用。
【关键词】氧化锌薄膜；特性；p型掺杂；PVD；CVD；制备；应用
1 氧化锌薄膜的特性
氧化锌（ZnO）是一种宽禁带半导体材料，其具有优异的光电、压电、介电及晶格特性，而且原料价格低廉，外延生长成本低廉，易于实现掺杂，广泛的应用于诸多领域。氧化锌晶体为六方纤锌矿结构，常温禁带宽度约为3.37eV。氧化锌薄膜存在着锌间隙和氧空位，是n型极性半导体。氧化锌薄膜是一种可见光透射率高达90%的理想透明导电膜，其电阻率低至10-4Ω·cm。氧化锌铝（AZO）薄膜具有更好的透明度和导电性，其透射率为91%，电阻率为10-5Ω·cm，因此AZO薄膜已逐渐成为ITO（In2O3：Sn）薄膜的替代材料。
2 氧化锌薄膜的制备
不同的应用对氧化锌薄膜的结晶取向、薄膜厚度、表面平整度以及光电、压电等性质的要求各有区别。这些差异是由不同的制备技术及工艺参数所决定的，各种制备工艺各有优缺点，从结晶情况来看主要在玻璃上用金属有机物化学气相沉积（MOCVD），PLD法制备的薄膜质量较好。
磁控溅射法是目前（尤其是国内）研究最多、最成熟的一种氧化锌薄膜制备方法。溅射是利用荷能粒子轰击靶材，使靶材原子或分子被溅射出来并沉积到衬底表面的一种工艺。根据靶材在沉积过程中是否发生化学变化，可分为普通溅射和反应溅射。若靶材是Zn，沉积过程中Zn与环境气氛中的氧气发生反应生成氧化锌则是反应溅射；若靶材是氧化锌陶瓷，沉积过程中无化学变化则为普通溅射法。
PLD法是20世纪80年代后发展起来的一种真空物理沉积方法。在超高真空（本底压强可达9×10-8Pa）系统中将KrF或ArF激光器发出的高能激光脉冲汇聚在靶表面，使靶材料瞬时熔融气化，并沉积到衬底上形成薄膜。
MBE（分子束外延法）是一种可达原子级控制的薄膜生长方法。它用于生长高质量的氧化锌薄膜，可采用微波电子回旋共振分子束外延（ECR-MBE），也可采用激光分子束外延法（L-MBE）。
化学气相沉积是将反应物由气相引入到衬底表面发生反应，形成薄膜的一种工艺。是用于氧化锌薄膜生长的一种非常受重视的研究方法。根据沉积过程对真空度的要求不同，可分为低压CVD与常压CVD方法。低压CVD方法又有等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、MOCVD和单一反应源化学气相沉积法（SSCVD）等。
3 氧化锌薄膜的应用
氧化锌与其他材料相比，存在很多优点，如高强度、抗辐射、耐高温、能抵御宇宙中的各种粒子或射线的影响，因此将其主要应用在光电子方面，其中以太阳能电池和氧化锌基紫外探测器更为突出。氧化锌还有其它方面的应用，如氧化锌作沉底材料、压敏、气敏和压电方面的应用。
３.1 太阳能电池方面的应用
氧化锌薄膜在太阳能电池中主要作为透明电极和窗口材料，具有优异的光电性能，在适当的掺杂下，表现出很好的低阻特征。利用P-MOCVD技术制得ZnO：B薄膜，电阻率为5×10-4Ω·cm，用于α-Si太阳能电池，在100mW/cm2的光照处，其效率为8.7%。用氢等离子处理的ZnO：Ga薄膜也可用于太阳能电池，η=13%。利用氧化锌作透明传导膜，CdS为缓冲层，制备出ZnO/CdS/Cu（In,Ga）Se2太阳能电池,效率可达14%，较大提高了器件的性能。
３.２ 压电方面的应用
通过高密度、定向生长的氧化锌薄膜是一种具有良好压电性质的材料，能够用来制造高频纤维声光器件及声光调制器等压电转换器材料。作为一种压电材料，氧化锌还可在大容量、高速率光纤通信的光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等民用及军事领域得到广泛的应用。
３.３ 压敏方面的应用
氧化锌压敏材料受到外加电压时，存在一个阈值电压，当外加电压高于该值时即进入击穿区，此时电压的微小变化即会引起电流的迅速增大。由于具有这种特征，氧化锌压敏材料在各种电器设备的电压保护、稳压和浪涌电压吸收等方面都起到很重要的作用。
３.4 光电器件方面的应用
氧化锌有着很好的光泵浦受激辐射特性，p型氧化锌的制得使其在紫外探测器、LED、LD等领域应用开辟新的道路。利用MOCVD生长的氧化锌薄膜可制作出上升和下降时间分别为1μs和1.5μs的MSM紫外探测器。利用PLD制得ZnO：Al膜，在100A/m2的电流强度下外量子效率为0.3%，用于有机发光二极管（OLED）。且氧化锌薄膜光泵浦发射阈值可降至240kW/cm3，3μJ/cm2下激子增益为300cm-1，在LD领域有着巨大的应用潜力。
３.５ 气敏方面的应用
氧化锌的电阻率会随表面吸附气体种类和浓度的不同而变化，是一种气体敏感材料。未掺杂的氧化锌对还原性、氧化性气体具有敏感性，经过某些元素的掺杂之后，对有害气体、可燃气体、有机蒸汽等具有良好的敏感性，因此氧化锌可被制成各种气敏传感器。
３.６ 基紫外探测器的应用
紫外探测器被广泛的应用于天文学、燃料工程、水净化处理、火焰探测、生物效应、天际通讯及环境污染监测等领域。目前正在使用的紫外探测器主要有紫外真空二极管、紫外光电倍增管、紫外增强器、紫外摄象管和固体紫外探测器等，其中常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极管。硅基紫外光电管需要附带滤光片，光电倍增管需要在高电压下工作，而且体积笨重、效率低、易损坏且成本高，对于实际应用有一定的局限性。因此宽带隙半导体紫外探测器是必然趋势。
氧化锌与GaN、SiC等其他的宽带隙材料相比有很高的化学和热稳定性、更好的抗辐射损伤的能力、较低的生长温度、适合作长寿命器件等优点，氧化锌基三元合金MgxZn1-xO，随Mg组分的变化，可以使其带隙在3.3eV（氧化锌）到7.8eV（Mg）连续可调，实现太阳盲区紫外光的探测，因此对氧化锌基紫外探测器的研究，具有重要的实际意义。
４ 结束语
氧化锌作为宽禁带半导体材料，以其优异的性能在工业、军事、生活等各个领域都起到了重要的作用。随着氧化锌薄膜制备、掺杂技术的不断发展，相信在不久的将来会有更好的成果出现，从而满足各方面对氧化锌薄膜材料的需求。
【参考文献】
［１］San F K, Liu G X , et al.[J]. Appl. Phys., 2004, 95: 4772.
［２］SRIKANT V, CLARKE D R, et al. On the optical band gap of zinc oxide[J]. Appl Phys, 1998, 83（10）: 5447-5451.
［３］Xu Denghui, Deng Zhenbo,Xu Ying, et al. An anode with aluminum doped on zinc oxide thin films for organic light emitting devices. Physics Letters A, 2005, 346（1-3）: 148-152.
［４］李建，白素杰，通拉嘎.稀土Nd掺杂纳米Zno薄膜气敏特性[J].传感器技术，2004，23（5）：9-11.
［５］黄炎球，刘梅冬，罾亦可，等.ZnO薄膜及其性能研究进展[J].无机材料学报，2001，16（3）：391-397.
［责任编辑：王洪泽］