掺铝氧化锌薄膜的光电特性及其在太阳能电池中的应用研究(3)
时间:2017-05-25 21:55 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
（3） ZAO薄膜的光学、电学性能与ITO薄膜相比，差别甚微，且更为稳定； （4） 制备ZAO薄膜的工艺简单、生产成本低。 第二章 氧化锌 2.1 氧化锌结构 ZnO 是一种具有压电和光电性质的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带半导体材料，具有纤锌矿结构（为优尔方晶体），如图1，是6mm点群对称的优尔角晶系纤锌矿晶体，在其晶体结构中，每个Z n 原子与四个O（氧）原子按四面体排布，晶格常数为a ＝ 0.325nm，c ＝ 0.5207 nm，室温下ZnO的禁带宽度为3.34eV，激子束缚能高达60meV[12]。 图1 纤锌矿晶体结构 2.2 氧化锌特性 氧化锌价格低廉、无毒、化学性质稳定、耐热、电阻率大、容易制备得到高质量薄膜并且在等离子中也有好的稳定性，在压电转换、光电显示及电子器件 等方面有着广泛的应用[13]。氧化锌的特性归纳为以下几点： 2.2.1 电学性质 ZnO 属于 II-VI 族化合物半导体材料，室温下带隙为 3.34eV，所以室温下只要外加电场不是特别强，薄膜中没有可以自由移动的载流子存在，纯净的、理想化学配比的ZnO 表现为透明的绝缘体，而不是半导体。其自由载流子浓度仅为 4/m3，比半导体中的自由载流子浓度(1014-1025/m3)和金属载流子浓度(8×l028/m3)要小的多。但是由于ZnO 本身点缺陷(间隙锌原子或氧空位)的存在，使得 ZnO 偏离理想化学配比。本征的ZnO 通常表现出 n 型半导体的性质，这是因为在富锌条件下 ZnO 的 n 型本征缺陷如 Vo, Zni的形成焓比 p 型本征缺陷如 Oi, Vzn的形成焓要低得多，从而通常情况下 n 型本征缺陷更容易形成[14]。此外常通过掺杂 n 型杂质加强 ZnO 的 n 型导电特征，以改良它的电学和光学特性。 2.2.2 光学性质 1)透光特性 氧化锌之所以具有透光特性，是因为其带隙很宽，短波吸收大约为380nm左右，只有当入射光子的能量hv比其禁带宽度Eg大时，电子才有可能从价带跃迁到导带中去，产生较强的光吸收。对于直接带隙半导体，吸收光子后电子跃迁示意图如图2所示。对应禁带宽度Eg的波长，称为光学吸收边。 图2 直接带隙半导体跃迁示意图 2）紫外激发特性 电致泵浦ZnO体材料的紫外受激发射，但随着ZnO 在紫外波段存在着受激发射特性是其显著优点，虽然在多年前便报道了低温下温度的升高，发射强度迅速淬灭。近期，ZnO 光泵浦紫外激光的获得和自形成谐振腔的出现，掀起了人们对其研究的热情。 2.2.3 气敏特性 气敏特性是指材料的某些参数能够随着材料所处环境的湿度或者气体组分的变化而发生变化的性质。氧化锌薄膜的气敏特性主要表现为，随着环境湿度或气体组分的变化，电阻率发生显著的变化。一般吸附还原性气体时，氧化锌薄膜的电阻率升高，且还原性气体浓度越大，电阻率越高;吸附氧化性气体时，氧化锌薄膜的电阻率降低，且氧化性气体浓度越大，电阻率越低。 2.3 氧化锌薄膜的掺杂 对于半导体材料而言，晶体中的缺陷和杂质对其性能特别是电学性能有着决定性的影响。本征 ZnO 为极性半导体，天然呈 n 型，施主掺杂比较容易，受主掺杂则异常困难。本节我们对 ZnO 中的本征缺陷、非故意掺杂、n 型掺杂进行简单的阐述。 2.3.1 ZnO 的本征缺陷 ZnO 中的本征点缺陷共有优尔种形态:( 1)氧空位 Vo；( 2)锌空位 VZn；(3)反位氧(即锌位氧) OZn；(4)反位锌(即氧位锌) ZnO；(5)间隙位氧 Oi;(6)间隙位锌 Zni[12]。迄今为止文献报道的最高质量的本征 ZnO 是由 Eagle-Picher 公司获得的[15]，室温下电子迁移率为 225cm2/Vs，电子浓度约 1016cm-3。 (责任编辑：qin) |