寬禁帶半導體ZnO材料的調研

1、姓名：導師：20 世紀50 年代，以硅材料為代表的第一代半導體材料取代了笨重的電子管，導致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應用于信息處理和自動控制等領域。20 世紀90年代，隨著移動無限通信的飛速發(fā)展和以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，第二代半導體材料開始興起。由于其具有電子遷移率高、電子飽和漂移速度高等特點，適于制備高速和超高速半導體器件，目前基本占領手機制造器件市場。當前，電子器件的使用條件越來越惡劣，為了滿足未來電子器件需求，新發(fā)展起來了第三代半導體材料寬禁帶半導體材料，該類材料具有熱導率高、電子飽和速度高、擊穿電壓高、介電常數(shù)低等特點。電阻率

2、電阻率能帶能帶原先在不同孤立原子中但具有相同能級的許多電子形成晶體時，由于量子效應，不能有兩個電子處于相同的狀態(tài)，它們的能量必定彼此錯開，各自處在一個能量略有差異的一組子能級上，形成能帶。禁帶寬度禁帶寬度根據(jù)電子的能量分布，在某些能量范圍內是不許有電子存在的稱之為禁帶，半導體的禁帶寬度是一個決定電學和光學性能的重要參數(shù)。元素半導體材料硅：半導體集成電路，半導體器件和硅太陽能電池的基礎材料。鍺：由于其特有性質，應用主要集中與制作各種二極管，三極管等。有機半導體材料有機半導體材料具有熱激活電導率。有機半導體芯片等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力差，但是擁有加工處理方便，結實耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。非晶半導體

3、材料在工業(yè)上，非晶半導體材料主要用于制備像傳感器，太陽能鋰電池薄膜晶體管等非晶體半導體器件?；衔锇雽w材料如今化合物半導體材料已經(jīng)在太陽能電池，光電器件，超高速器件，微波等領域占據(jù)重要位置，且不同種類具有不同的應用。Zn0是一種新型的寬禁帶半導體材料。具有優(yōu)異的晶格、光電、壓電和介電特性。ZnO薄膜可以在低于500溫度下獲得，不僅可以減少材料在高溫制備時產(chǎn)生的雜質和缺陷，同時也大大簡化了制備工藝；同時ZnO來源豐富，價格低廉，又具有很高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。ZnO在UV、藍光LED和LDS器件等研究方面被認為是最有希望取代GaN的首選材料。ZnO以其特殊的性質成為Si電路的補充。無論是薄膜

4、ZnO還是納米ZnO在我國夠有很好的發(fā)展。Zno基本結構 閃鋅礦結構；纖鋅礦結構；NaCl結構；CsCl結構ZnO晶體結構會隨著環(huán)境條件的改變而改變。在常溫下ZnO的穩(wěn)定相是纖鋅礦結構材料材料ZnoGaN4H-SiC6H-SiC禁帶寬度（eV ）3.373.393.263.03晶格類型纖鋅礦纖鋅礦纖鋅礦纖鋅礦晶格常數(shù)（A ）a=3.250a=3.189a=3.073a=3.018c=5.205c=5.185c=10.053c=15.117熔點（K ）2250277020702070熱導率（Wcm-6K-1 ）0.61.33.03.83.03.8CET(10-6K-1 )a=6.5a=5.63.

5、55.03.55.0c=3.0c=7.7電子遷移率（cm2V-1s-1 ）1961000800370電子飽和速度（cms-1 ）3.03.52.02.0截止電壓（Vcm-1 ）5.05.02.22.4寬禁帶半導體參數(shù)比較由于其禁帶寬度、晶格常數(shù)和GaN非常相近，所以ZnO和GaN可以互為緩沖層來生長出高質量的GaN或ZnO薄膜。同時ZnO室溫下的禁帶寬度為 3.37eV，與GaN(3.4eV)相近而他的激子束縛能遠大于GaN( 25meV)等材料，因此在藍紫光器件方面的應用比其它半導體更有潛力,產(chǎn)生室溫短波長發(fā)光的條件更加優(yōu)越。ZnO是一種理想的短波長發(fā)光器件材料。能以帶間直接躍遷的方式獲得高

6、效率的輻射復合。ZnO薄膜還具有較低的激射閾值，這主要是由于ZnO很高的激子束縛能(室溫下為60meV)可以大大降低低溫下的激射閾值，而且在室溫下適當?shù)募ぐl(fā)強度，ZnO激子間的復合可取代電子-空穴對的復合，因而可預期一個低的閾值來產(chǎn)生受激發(fā)射。ZnO的紫外受激發(fā)射中主要是紫外光波段、藍綠光波段的發(fā)射。ZnO紫外光發(fā)射的主要機理是帶間躍遷和激子復合。ZnO基光電探測器。紫外光、藍光等發(fā)光器件。光電探測器是一種把光輻射信號轉變?yōu)殡娦盘柕钠骷?，其工作原理是基于光輻射與物質的相互作用所產(chǎn)生的光電效應。ZnO的光學透明性是由寬禁帶引起的。ZnO帶隙寬，對可見光和紅外光吸收很小，基本上是透明的。ZnO的導

7、電性主要不是依賴本征激發(fā)，而是靠附加能級的電子或空穴激發(fā)。具有光學透明特性的寬禁帶氧化物半導體材料，一般都是絕緣體，但ZnO既有高透明性又有導電性。因此，ZnO材料在制備透明導電薄膜，紫外波段LED和LD以及能量窗口，液晶顯示，太陽電池，氣體傳感器，超聲振蕩器和轉換器等光電子器件有不錯的應用前景。氣敏特性壓敏特性Pn結特性壓電特性壓電器件太陽能電池氣敏元件壓敏元件聲表面波器件(SAW)納米氧化鋅的主要性質表面效應表面效應是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。這種變化使其表面與內部的晶格振動產(chǎn)生了顯著變化，導致納米材料具有許多奇特的性能。體積效應當納米粒

8、子的尺寸與傳導電子的德布羅意波長相當或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內壓、光吸收、熱阻、化學活性、催化劑及熔點等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應。納米氧化鋅在防曬化妝品中的應用納米氧化鋅具有紫外線屏蔽性、透明性及滅菌性。當受到紫外線的照射時，價帶上的電子可吸收紫外線而被激發(fā)到導帶上，同時產(chǎn)生空穴-電子對，因此具有吸收紫外線的功能。納米ZnO比普通ZnO對可見光的吸收弱得多，有很好的透過率，因此具有高度的透明性。納米ZnO在陽光尤其在紫外線照射下，在水和空氣（氧氣）中，能自行分解出自由移動的帶負電的電子（e-），同時留下帶正電的空穴（h+）。這種空穴可以激活空氣中

9、的氧變?yōu)榛钚匝酰袠O強的化學活性，能與多種有機物發(fā)生氧化反應（包括細菌內的有機物），從而把大多數(shù)病菌和病毒殺死。納米ZnO應用于防曬化妝品中，不但使體系擁有收斂性和抗炎性，而且具有吸收人體皮膚油脂的功效。納米氧化鋅在紡織中的應用將金屬氧化鋅粉末制成納米級時，由于微粒尺寸與光波相當或更小，尺寸效應使導帶及價帶的間隔增加，故光吸收顯著增強。在350400nm（UVA）時，氧化鋅的遮蔽效率高，同時氧化鋅（n=1.9）的折射率小，對光的漫反射率較低，使得纖維透明度較高且利于紡織品染制。遠紅外線反射纖維的材料 這種遠紅外線反射功能纖維是通過吸收人體發(fā)射出的熱量，并且再向人體輻射一定波長范圍的遠紅外線，可促進人體血液循環(huán)，遮蔽紅外線，減少熱量損失。保溫光致發(fā)光材料 可利用紫外光、可見光或紅外光作為激發(fā)光源而誘導其發(fā)光。氧化鋅在室溫下?lián)碛休^強的激發(fā)束縛能，可以在較低激發(fā)能量下產(chǎn)生有效率的放光。防紫外線纖維紫外線屏蔽性、透明性、滅菌性、光致發(fā)光。納米氧化鋅在催化劑和光催化劑中的應用納米氧化鋅具有優(yōu)異的光催化活性。當氧化鋅納米粒子受到大于禁帶寬度能量的光子照射后，電子從價帶躍遷到導帶，產(chǎn)生了電子-空穴對，空穴能使OH-生成氧化性很高的OH 自由基，可以把許多難降解的有