镓掺杂氧化锌薄膜的制备及结构研究(4)
1.3.2 其他光的发光机制
除了蓝-绿光的发射外，ZnO薄膜紫外光的发射也是人们关注的焦点。然而不同于蓝-绿光的是，紫外光的发光机理得到了人们的共识，即：紫外光源于带边激子的复合[10]，其发光强度取决于薄膜的结晶质量、化学配比，结晶质量好的薄膜发射紫外光的强度高。此外，在研究ZnO薄膜发光的过程中人们发现ZnO还可发射红光、橙光、黄光和紫光。对于这些谱带的解释为：ZnO红光和橙光与富氧的ZnO结构、或与沉积过程中形成的自然缺陷相关。黄光的发射与过剩的氧形成的氧间隙、或者与一种ZnO的配比结构[11]有关。紫光来自于晶界产生的辐射缺陷能级与价带之间的跃迁。
1.4 ZnO的Ga掺杂
掺杂ZnO薄膜的研究很早就引起了人们的注意，掺杂可使ZnO薄膜材料的晶体结构，电学，光学，磁学性能以及气敏湿敏性能发生相应改变，因而可用于不同的技术领域。
ZnO是一种极性半导体，天然为n型，通过掺杂施主元素，ZnO的电导率可以提高几个数量级，是一种典型的TCO材料。ZnO可供选择的施主掺杂元素很多，包括Ⅲ族元素、Ⅳ族元素、ⅤB族元素、Ⅵ族元素和Ⅶ族元素，最为常用的为Al、Ga、In等Ⅲ族元素，特别是Al元素。Ⅲ族元素掺杂ZnO，取代Zn的位置，形成浅施主能级，贡献出一个电子。Al、Ga和In在ZnO中的离化能分别为15.1 meV、16.1 meV和19.2 meV，施主结合能分别为51.55 meV、54.6 meV和63.2 meV。
与Al掺杂相比，Ga的活性较弱，Ga掺杂是不容易生成Ga2O3相，可以获得更高的载流子浓度。例外，Ga的原子半径（0.126 nm）与Zn的原子半径(0.135 nm)接近，Ga-O键（0.192 nm）与Zn-O键（0.197 nm）键长也相差不多，Ga掺杂可以降低薄膜因高掺杂浓度引起的晶格畸变，从而改善薄膜的晶体质量。基于这些考虑，GZO（镓掺杂氧化锌）薄膜近年来也开展了较多的研究。但是与AZO相比，GZO由于Ga是一种贵重稀有金属，因而价格较贵，这是限制GZO实际应用的一个重要因素。研究表明，GZO透明导电薄膜的电学性能，如电阻率、迁移率、载流子浓度等，随生长温度会发生较大的变化[12]。
1.5 ZnO薄膜的制备方法
高性能的器件依赖于高质量的材料，但目前ZnO薄膜的质量还有待进一步提高。对应于不同器件的要求，改进生长系统以得到高质量的材料是目前研究的一个重要方向。但要使之达到实用化，不仅要进一步改进薄膜的制备工艺，还要对它的物理性质加以深入研究。因此，研究ZnO薄膜的形成条件、工艺参数对薄膜物理性能的影响是非常关键的。
目前，制备ZnO薄膜的各种方法，有磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、喷雾热解法等。
1.5.1 磁控溅射法（MS）
磁控溅射（Magnetron sputtering，简称 MS）是在1842年由Grove发明的，并在 1930年后大规模应用于工业生产。磁控溅射按照工作的电源可分为直流(DC)磁控溅射和射频(RF)磁控溅射。溅射的基本原理是在高真空的密闭容器中充入惰性气体，在直流高压或高频作用下，这些气体会发生电离，产生辉光放电等离子体，而荷能粒子在电场和磁场的相互作用下会高速轰击靶材表面，与靶材表面的原子发生动量转换，最后被轰击出来的粒子会在衬底表面沉积，形成所需要的薄膜。
1.5.2 化学气相沉积法（CVD）
化学气相沉积（Chemical vapor deposition，简称CVD）是将构成薄膜化学元素的1种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、紫外线、等离子体乃至激光等能源，借助气相作用在基片表面的化学反应在衬底表面生成要求的薄膜。