ZnO作为第三代半导体材料,已经被应用制成透明导电薄膜。因此,同属于半导体与透明导电材料的ZnO就受到了广泛的关注,也有着非常大的研究潜力。如何通过处理半导体材料的方法或是其他方法来提高ZnO的性能,使得这种有潜力的第三代半导体材料也可以如同前两代那样,为人类社会带来巨大变革,就成为了一个十分有意义的课题。
与同为第三代半导体材料的GaN相比,ZnO有着更为广泛的矿藏。除此之外,ZnO还具有可调带隙的MgZnO合金体系,热稳定性强好,成本低廉,抗辐射,环境友好等优点。
本世纪80年代以来,人们对于这个微观世界的认知有了更多的设备,微观世界逐渐占先在我们的眼前,纳米这个词逐渐被人们熟知,纳米技术也不断发展。由于原子的尺度大约在0.1nm的尺度上,当材料的尺度在1-100nm时,单块材料晶体内只有为数不多的原子,因此人们广泛认识的宏观世界中的许多规律定理便不再适用。人们需要重新研究微观这个新的世界。对于半导体材料而言,纳米尺寸的材料,其表面原子比例会非常大,表面能、反应活性增大,这些特点都使得纳米材料较之普通材料有了不同的特性。纳米尺度的ZnO因此成为了现在备受瞩目的研究焦点。
1.1 ZnO的基本性质
ZnO无毒、无,不可溶于水和醇、苯等有机溶剂,但可溶于弱酸和弱碱,因此属于两性氧化物。ZnO的物理性质稳定,在空气中放置并不会显著改变其性质。[1]熔点1975°C,密度5.606g/cm³。
1.1.1 晶体结构
ZnO的晶体结构共有三种:立方岩盐矿结构(B1)、立方闪锌矿结构(B3)以及优尔角纤锌矿结构(B4)[1](图1-1)。当生长在立方晶体结构的衬底上时,得到的是立方闪锌矿结构(B3)的ZnO;在高压下,ZnO会由优尔角纤锌矿结构(B4)转变为立方岩盐矿结构(B1),当高压消失时,ZnO会保持在立方岩盐矿结构(B1)[1-3]。
图1-1 ZnO的晶体结构
a.立方岩盐矿结构 b.立方闪锌矿结构 c.优尔方纤锌矿结构
1.1.2 能带结构
ZnO属于Ⅱ-Ⅵ组化合物直接宽带隙半导体,导带极小值与价带极大值位于布里渊区中心即k=0处[4、5]。室温下的禁带宽度为3.37eV。(图1-2)
![ZnO的晶体结构](/uploads/allimg/180510/1-1P510212U3109.jpg)
图1-2 ZnO的能带结构
激子束缚能约为60meV[6-8]较之GaN更大,所以易于实现高效率的发光器件。ZnO在研究与应用中的两大难题或者说是重点,一个是“掺杂工程”,即实现ZnO的P型掺杂,使其能制的同质PN结从而极大地拓宽其应用范围;另一个是“能带工程”,即实现其禁带宽度的调节。此次毕业设计实验的一个重点就是研究Mg掺杂对于ZnO半导体禁带宽度的影响。由于本征ZnO的禁带宽度为3.37eV,为了使其能制备深紫外探测器件,所以需要对其禁带宽度进行调节。
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