镓掺杂氧化锌薄膜的制备及结构研究(2)
薄膜材料必然涉及了一个很广的范围，而且随着制备技术的不断改进，各种新型薄膜也不断出现，其中很重要的一个分支就是半导体薄膜。因为半导体薄膜在集成电路、光导电膜、场效应晶体管、高效太阳能电池、薄膜传感器及掺杂的导电膜等领域有着广泛的应用。
而最近几年，作为宽禁带半导体材料的氧化锌（ZnO）薄膜越来越引起了人们的兴趣。因为短波长光电子材料和器件一直是人们关注的焦点，它对于提高光通信的带宽和光信息的记录密度有非常重要的作用。因此1995年GaN蓝光材料兴起时就引起了学术界广泛重视，1997年后，人们发现ZnO薄膜具有紫外受激发射的本领，很快成为继GaN之后新的短波长半导体材料的研究热点。同时ZnO薄膜可以实现 p 型和 n 型掺杂，改变薄膜的导电特性，使得该材料应用于生产实际成为可能。
透明导电氧化物（TCO）薄膜在光电子器件，如平板显示器，发光二极管，激光二极管，太阳能电池，透明薄膜晶体管，光学探测器等应用上具有重大意义。铟锡氧化物（ITO）由于其高导电性和在可见光波段的良好的光传导性，成为目前广泛使用的一种TCO。然而，由于自然资源储量少，成本高，限制了其使用，因此我们迫切需要寻求一种替代的TCO材料，其相对便宜且透光性能和电导率与ITO相似。ZnO基TCO已被恰当地提出作为ITO潜在的替代品，因为锌是价格相对低廉，自然储量大，并显示出与ITO相似的优异的光学和电学性能。氧化锌（ZnO）是一个多功能金属氧化物半导体，具有直接宽能隙（在室温下，Eg=3.37 eV），高达60 meV激子结合能和4.35 eV的电子亲和力，表明其属于n型导电性。它具有独特的结构，光学，电学，化学，耐辐射等特性[1]。这些属性可以通过与各种离子掺杂而显著改变。尤其是Ⅲ族B元素。镓，铝和铟已在ZnO中掺杂，以提高其电学性能，这在透明导电涂料中是非常有用的应用。Al-O，Ga-O和Zn-O的键长分别为2.70Ǻ，1.92 Ǻ和1.97Ǻ。这表明，在Ⅲ族B元素中，在氧化锌中Ga是一个很好的n型掺杂元素，预计其相比Al掺杂将产生更小的晶格应变 [2]。
1.1 ZnO薄膜的结构
ZnO晶体为吹冰方纤锌矿结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3.3 eV，晶格常数a=0.325 nm，c=0.521 nm[3]。ZnO的激子结合能达60 meV，这比同是宽禁带材料的ZnSe（20 meV）和GaN（28 meV）都高出许多，如此高的激子束缚能使得室温下激子不易被热激发，从而大大提高了ZnO材料的激发发射性能，降低了室温下的激发阈值。ZnO在3 μJ/cm2能量下激子增益为300/cm，高于同条件下的GaN激子增益（约100/cm），而且，ZnO以激子复合代替电子-空穴对的复合，在较低的阈值下便可产生受激发射，且激发温度较高（可达550oC）[4]，在LDs领域显示出很大的开发应用潜力。ZnO的熔点为1975oC，具有很高的热稳定性和化学稳定性，ZnO薄膜可以在低于500oC温度下获得，较GaN、SiC和其它II-VI族半导体宽禁带材料的制备温度低很多。这些特点使ZnO具备了作为室温短波长光电子材料的必备特征。ZnO薄膜天然存在着锌间隙与氧空位[5]，为极性半导体，呈n型。优质的ZnO薄膜具有c轴择优生长。
图1.1 纤锌矿型ZnO的晶体结构示意图
ZnO有三种晶体结构，即纤锌矿型、闪锌矿型和盐岩矿型。在大气压条件下存在的热稳定相是纤锌矿型ZnO，在立方衬底上才可能形成外延的亚稳态闪锌矿型ZnO结构，而只有在相当高的压强下才可能形成盐岩矿型ZnO结构。通常生长的ZnO都是纤锌矿型晶体结构，纤锌矿型ZnO晶体结构属吹冰方晶系，其晶体结构示意图如图1.1所示，晶格常数和基本物理参数如表1.1所示。