镓掺杂氧化锌薄膜的制备及结构研究(3)
表1.1纤锌矿性ZnO晶体的基本特性（300K）
性质（单位） ZnO
晶体结构 纤锌矿结构
晶格常数（nm） a=0.3250 b=0.5205
密度（g/cm3） 5.675
熔点（K） 2250
键能（J/mol） 284.1
禁带宽度（eV） 3.37（2K，3.437）
激子束缚能（meV） 60
电子有效质量（m0） //C：me=0.28 m0；C： me=0.24m0
空穴有效质量（m0） 0.5
电子/空穴迁移率（cm2/V s） 200（电子）/5～50（空穴）
介电常数 8.1（E C）；9.0（E//C）
折射常数 n 2
压电常数d33（pm/V） 11.9
声速（103m/s） //C：6.0961；C：6.0776
热导率（W/cm K） 0.6
热膨胀系数（10-6/K） //c轴：3.02， 4.75， c轴：6.51
比热（J/g k） 0.494
在ZnO晶体结构中，Zn2+离子半径为0.024 nm，O2-半径为0.036 nm，Zn-O键长1.9915埃，每个Zn原子与4个O原子构成四面体排布，晶体中负离子配位多面体为Zn-O4四面体，四面体的底面与C（0001）面平行，四面体的顶角正对向C（000 ）面。很明显，Zn原子在C轴方向不是对称分布的，其分布偏向于（0001）面，远离（000 ）面。
ZnO晶体不仅具有稳定的化学性质和物理性质，由于ZnO具有典型的纤锌矿吹冰方晶体结构，因此它也是一种常见的压电晶体由于Zn和O的电负性差异，纤锌矿ZnO 既具有共价键晶体的特征也具有离子晶体的特征。实际的ZnO晶体中总是存在非理想化学计量比点缺陷，因此未掺杂ZnO晶体是典型的弱n型氧化物半导体。
1.2 ZnO薄膜的光电特性
早在三十年前，人们就发现了电子束泵浦ZnO体材料低温受激辐射，但由于其辐射的强度随温度升高而迅速衰减，故限制了该材料的使用价值。ZnO薄膜是一种理想的透明导电薄膜，可见光透射率高达90%，电阻率可低至10- 4•cm。ZnO在紫外波段存在着受激发射是其显著优点。1997，D.M. Bagnall和P. Zu，Z.K. Tang等人用分子束外延法，得到具有自形成谐振腔结构的ZnO薄膜，并首次观察到室温下400 nm附近的光泵浦紫外激光发射。图1.2是典型的ZnO薄膜室温PL谱[6]，除了400 nm附近的本征UV峰外，还出现了520 nm附近的黄绿光波段的展宽峰，这主要是由薄膜中的氧缺陷引的。
图1.2 ZnO薄膜室温PL光谱
随激发电流密度增加，黄绿光相对下降，紫外光相对增强，谱峰变窄，发生红移，出射光出现方向性，如图1.3所示，而且在低能端还有其它谱出现。退火后，黄绿光辐射峰降低，而紫外辐射增强。
图1.3ZnO薄膜在不同电流下的CL谱
1.3 ZnO薄膜的发光机理
随着人们对ZnO研究的深入，已经发现了多种不同的发光机制，得到了在不同波长下的多个发光峰。这些发光机制包括带间跃迁发光，激子复合发光，杂质或缺陷能级跃迁引起的发光。下面对各种发光机制作简单介绍：
1.3.1 绿光的发光机制
目前人们普遍关注的是ZnO薄膜蓝-绿光发射的特性，以便使其作为一种绿色荧光材料应用于平板显示领域， 或用于制备短波长发光二极管。对于本征ZnO 薄膜发射绿光的解释已提出了多种模型。研究者普遍认为绿光与氧空位有关， 例如: 认为绿光来自氧空位与价带空穴之间的复合跃迁[7]、氧空位与锌空位之间的跃迁等。也有不少研究者认为绿光与锌间隙有关[8]。此外最近几年有些人提出与上述解释相反的观点，认为绿光来自导带底到氧位错缺陷能级之间的跃迁[9]。究竟哪种点缺陷在ZnO薄膜的绿光发射中占据主导地位，值得人们进一步的探索。