1、學號：XXXX學院XX學院本科畢業論文專 業 物理學 年 級 2008級 姓 名 論文題目 ZnO材料的電學性質 指導教師 XXX 職稱 講師 2012年5月1日目 錄摘 要1關鍵詞1ABSTRACT1KEY WORDS1引言11. ZNO薄膜材料的晶體結構22. ZNO材料的電子輸運特性22.1模型描述32.2穩態輸運特性53. 摻雜ZNO材料的電學特性63.1摻雜Nb2O5對ZnO壓敏材料電學性能的影響83.2摻雜MgO對ZnO壓敏材料電學性能的影響83.3摻雜Al(NO3)3對ZnO壓敏材料電學性能的影響94. ZNO材料的光電特性105. ZNO材料的應用前景105.1在傳感、圖像記錄

2、、壓電等領域的應用115.2制作微型激光器11參考文獻12ZnO材料的電學性質學生姓名：李帥 學號：20087041009華銳學院理工系 物理學專業指導老師：馮金地 職稱：講師摘 要：本文從ZnO薄膜的晶體結構、電子運輸特性、電學特性、光電特性等方面綜述了ZnO材料的應用前景。重點介紹了用MonteCarlo模擬描述ZnO電子運輸特性的方法以及摻雜Nb2O5、MgO、Al(NO3)3對ZnO材料電學性質的影響。關鍵詞：ZnO；電子運輸；電學特性；光電特性Abstract:This paper sums up the application prospects of ZnO materials

3、from the crystal structure , electronic transport properties,electrical properties,photoelectric properties. Especially it focuses on the way of taking MonteCarlo to describe the electrical properties of ZnO and the influence of the electrical properties when Nb2O5,MgO,Al(NO3)3 are mixed .Key Words:

4、ZnO; Electronic Transport; Electrical Properties; Photoelectric Properties引言ZnO薄膜是一種具有壓電、氣敏、光電和透明導電等多種特性的功能材料，對ZnO的研究有望開發出光、電、熱等多功能集成化的器件，因此ZnO的研究引起了人們的極大興趣。用MonteCarlo模擬方法對一些典型半導體材料(如Si，GaAs和GaN等)進行分析7，對深入了解這些材料的特性很有幫助。然而，很少有其他人用MonteCarlo方法研究ZnO材料輸運特性的報道。目前，對ZnO材料中的電子輸運特性的了解還僅限于用解析方法進行研究。由于ZnO材料能帶

5、結構的復雜性，解析方法只能獲得材料在低場輸運下的某些特性。目前，研究ZnO材料的性質涉及許多領域，其中包括透明導電膜（TCO）、表面聲學波（SAW）器件、光激射激光器、氣敏傳感器、紫外光探測器、顯示以及與GaN互作緩沖層等方面，在這里主要對ZnO 材料的的電學特性和光電特性進行研究和分析。1. ZnO薄膜材料的晶體結構與-V族共價性化合物晶體相比，ZnO由于其兩種組成元素在電負性上的較大差別，更偏向于離子型晶體，通常情況下具有六角晶系纖鋅礦結構1。ZnO為寬帶隙半導體，禁帶寬度約3.3eV，晶體結構為六方形纖鋅礦2結構（圖1）。優質的ZnO薄膜具有C軸擇優取向生長的眾多晶粒，每個晶粒都是生長良

6、好的六方形纖鋅礦結構。圖1 六方形纖鋅礦ZnO晶體結構2. ZnO材料的電子輸運特性ZnO薄膜是一種具有壓電、氣敏、光電和透明導電等多種特性的功能材料，對ZnO的研究有望開發出聲、光、電、熱等多功能集成化的器件，因此ZnO的研究引起了人們的極大興趣。用MonteCarlo模擬方法對一些典型半導體材料(如Si，GaAs和GaN等)進行分析7，對深入了解這些材料的特性很有幫助。然而，還未見其他人用MonteCarlo方法研究ZnO材料輸運特性的報道。目前，對ZnO材料中的電子輸運特性的了解還僅限于用解析方法進行研究。由于ZnO材料能帶結構的復雜性，解析方法只能獲得材料在低場輸運下的某些特性。為了研

7、究ZnO的電子輸運特性，用MonteCarlo模擬程序，對ZnO材料進行了模擬研究，獲得了ZnO材料的速度一電場特性、平均能量一電場特性以及瞬態輸運特性等，并對這些結果進行分析和討論。模擬中所包含的散射機理有極性光學聲子散射、電離雜質散射、聲學聲子散射、碰撞電離散射能谷間散射等。為了計算電離雜質散射，我們假定材料的施主雜質濃度為1016cm3，且雜質全部電離電離雜質散射為彈性散射,能谷間散射為各向同。2.1模型描述采用全帶MonteCarlo方法來模擬ZnO材料的輸運特性。在全帶模型中能量與波矢量的關系是通過能帶理論計算得到的。這種方法能夠比較準確地確定能量與波矢量的關系，模擬精度比拋物面模型

8、和非拋物面模型高。ZnO是纖鋅礦結構，能帶結構是六角對稱的，其導帶最小值和價帶最大值位于布里淵區中心(即點)。采用第一原理總能量贗勢方法(the firstprinciples totalenergy pseudopotential method)計算纖鋅礦ZnO的能帶結構。在六角對稱性的能帶結構中，簡約布里淵區的k空間體積是第一布里淵區體積的124在能帶計算中，只需要計算簡約布里淵區內的能量即可，其他區域的能量可以通過對稱操作得到。在kx和ky，電子波矢量由4a歸一化；在kx方向，電子波矢量由2c歸一化，其中a和c為晶格常數。模擬中需要兩種數據庫，即稀疏格點的數據庫和密集格點的數據庫。前者用

9、于電子自由飛行結束時，由波矢量確定能量，后者用于在電子經歷各向同性的散射后，由能量確定波矢量。歸一化后，稀疏格點的間隔在三個方向上均為0.025，密集格點的間隔在三個方向上均為0.01。圖2是根據計算的能帶結構數據，畫出的在幾個高對稱方向上的能量與波矢量的關系。圖2 纖鋅礦ZnO的能帶結構為了計算散射幾率，我們把電子能量分為兩個區，即低能區和高能區，低能區的能量小于3eV。處于低能區的電子散射幾率依賴于波矢量，各種散射機理對電子的散射幾率通過費米黃金規則計算出來。在高能區，由于多個能量子帶相互交疊，因此無法用費米黃金規則計算出各種散射機理的散射幾率。由于散射幾率是與電子最終態能量的態密度成正比

10、的，所以在高能區的散射幾率是通過低能區邊界(3eV)的散射幾率由最終能量的態密度（不同子帶態密度的疊加)標度化來實現的。圖3表示ZnO材料的總散射幾率隨能量變化的情況。計算出能帶結構數據和各種散射機理的散射幾率及總散射幾率隨能量的分布以后，就可以模擬電子運動了。采用組合MonteCarlo模擬方法，同時模擬22000個電子的運動，時間步長為10-15s。每個電場值進行5000個時間步長的模擬。圖3 總散射幾率與能量關系曲線2.2穩態輸運特性圖4所示的是在電場沿K方向，摻雜濃度為1016cm3。的條件下，不同溫度下電子平均漂移速度隨電場變化的曲線。從圖中曲線可以看出ZnO的電子輸運特性呈現微分負

11、阻效應，這種效應在其它化合物半導體如GaAs、GaN中也已經被證實。在低場區，電子能量較低，主要散射機理是電離雜質散射、聲學聲子散射等，極性光學發射散射的幾率很小，電子平均漂移速度隨電場增加而線性增加。極性光學發射散射幾率隨電子能量增加而增加，當電場進一步增加時，將逐漸成為占優勢的散射機理，電子在電場中獲得的能量，由發射極性光學聲子(能量為0.072eV)傳給晶格，平均漂移速度增加趨緩。當電場達到某一閾值時，平均漂移速度達到最大值8。電場再進一步增加時，平均漂移速度隨電場的增加反而下降。微分負阻現象是由于能谷間散射而引起的。圖4 不同溫度下的電子平均漂移速度與電場強度關系曲線從圖2可以看出，導

12、帶的最低能谷在布里淵區中心點，稱為1能谷，與之最近鄰的能谷在對稱點A，稱為A能谷，兩能谷問的能量間隔為2.66eV。除A能谷外，另外兩個與1能谷最近的能谷分別是在布里淵區中心點的2能谷和在對稱點L與對稱點M連線上的LM能谷。2能谷與1能谷的間隙為4.32eV。LM能谷與1能谷的間隙為4.64eV。在低電場下，電子平均能量低，所有電子都位于1能谷上。隨著電場強度增加，電子平均能量增加，部分能量較大的電子，通過能谷間散射，躍遷到A能谷上。因為A能谷上的電子有效質量比1能谷上的有效質量高，當遷移到能谷上電子的數目足夠多時，電子的平均漂移速度會隨著電場強度的增加而減少。當電場足夠大時還會有電子遷移到更

13、高的能谷即2能谷和LM能谷上。從圖3可以看出在室溫下，閾值電場為240kVcm，平均漂移速度為1.5×107cms8。從圖4可以看出，在所考慮的電場范圍內，平均漂移速度隨溫度的增加而減小，這是因為總散射幾率隨溫度的增加而增加。圖5給出了在不同電場強度下電子能量的分布，其中縱坐標的電子數目為隨機單位。從圖中可以看出，每條曲線都有一個峰值，隨著電場的增大峰值ZnO材料電學性能減小，出現峰值的能量增加。當電場小于閾值電場時，電子數目隨能量的增加而減小。電場強度為3×105Vcm時，在大約2.6eV附近出現一個峰值，這說明有一些電子躍遷到A能谷上。對電場強度大于5×105

14、Vcm的幾條曲線，在更高的能量值上出現了分布的反轉，即高能量上的電子數目比低能量上的電子數目還要多，4.5eV附近的峰值可能是位于能谷和LM能谷上的電子的貢獻。圖5 不同電場強度下電子按能量的分布3. 摻雜ZnO材料的電學特性由于ZnO薄膜中存在本征施主缺陷，如間隙Zn原子O空位等，使得ZnO薄膜天然呈弱n型導電。因此ZnO薄膜的電阻率一般較高，在10-2cm數量級。但通過調整生長、摻雜或退火條件可形成簡單半導體薄膜，導電性能大幅提高，電阻率可降低到10-4cm數量級。圖6是Al摻雜ZnO薄膜的電阻率電子密度和電子遷移率與（ZnO）1-x（Al2O3）x陶瓷靶材（x=w(Al2O3)=00.0

15、010.0020.005）中Al2O3質量分數的關系曲線2。可以看出，Al摻雜ZnO薄膜的電阻率隨靶材中Al摻入量的增加呈現先減小后增大的特征，說明適量的Al摻雜可以獲得導電性能較好的n型Al摻雜ZnO薄膜Al摻雜ZnO薄膜的電阻率最低為7.85×10-4cm，這可歸因于該Al摻雜ZnO薄膜同時具有高電子濃度和較高電子遷移率。圖6 Al摻雜ZnO薄膜的電阻率、電子密度和電子遷移率隨靶材中Al2O3質量分數的變化ZnO材料作為一種很有前途的光伏材料3，對其研究也很多。張金星等在ITO薄膜上用磁控濺射法沉積了ZnO薄膜，并研究了其光電性質。結果表明，光電流達到14A，暗態電流接近于零，說

16、明其具有非常強的光敏感性這是由于雙層薄膜之間的費米能級不同而形成空間內建電場的作用，使產生的光生電子與空穴有效分離，減少了電子和空穴的復合，促進光生載流子的產生并延長了載流子壽命，得到了較強的光電流。ZnO薄膜的外延生長溫度很低，有利于降低設備成本，提高成膜質量，更重要的是易于摻雜。摻入B、Al、Ga等III族施主雜質可使其n型導電得到增強4；也可以通過摻入N、P、As等V族受主雜質或通過施主-受主元素共摻雜（如Ga-N共摻雜）的辦法，使其具有p型導電特性。因此，在ZnO光電特性的研究中，制備結型器件是ZnO薄膜實用化的關鍵，制備p型ZnO薄膜和ZnO的同質p-n結及異質p-n結的研究也成為該

17、領域中的重要研究內容。3.1摻雜Nb2O5對ZnO壓敏材料電學性能的影響因為Nb離子的半徑為0.070nm與Zn2+離子半徑(0.074nm)相近，故適量的Nb摻雜可使得Nb離子作為施主進入ZnO晶格取代Zn2+，固溶反應如方程（1）所示。從固溶反應可以看出，Nb的摻入，不僅為晶界勢壘的建立提供了正電荷NB3+Zn，而且也提供了形成勢壘所必需的負電荷e-。負電荷濃度和正電荷濃度的增加，將提高晶界勢壘高度。這一推斷可由表1的數據得到證實。從表1還可看出，勢壘的提高與ZnO壓敏電阻的非線性系數的增大是直接相關的。表1 摻雜Nb2O5樣品的電學性能參數3.2摻雜MgO對ZnO壓敏材料電學性能的影響適

18、當的等價離子Mg2+摻雜同時也能大大提高ZnO壓敏電阻的非線性系數5，如表2所示。原因可能是由于Mg2+的離子半徑（0.065nm）比Zn2+離子半徑小，Mg除了占據Zn的位置，還可能處于Zn的間隙位置，具體反應如下: (2)(3)表2 摻雜MgO樣品的電學性能參數可以看出，（2）式對晶界勢壘的形成沒有多大貢獻。處在間隙位置的金屬離子由于受氧離子的影響大，容易失去離子帶正電。因此，（3）式的反應，不僅能提供正電荷，還能提供負電荷，有利于提高晶界勢壘。從表2可以看出，當MgO的摻雜量超過0.02%時，勢壘反而降低，這可能是ZnO對MgO的固溶度較低所致。3.3摻雜Al(NO3)3對ZnO壓敏材料

19、電學性能的影響Al離子半徑(0.05nm)比Zn離子半徑小得多，它的摻雜可能發生的反應如下： (4) (5)由（5）式可以看出，適量Al的摻雜對提高晶界勢壘高度有利，這一點從表3可看出。當Al(NO3)3摻雜量為0.001%和0.002%時，勢壘高度和非線性系數都有明顯提高。表3 摻雜Al(NO3)3樣品的電學性能參數4. ZnO材料的光電特性由于ZnO具有較大的激子束縛能，特別是與GaN比較而言（ZnO為60meV，GaN為25meV），因此，作為發光材料，ZnO比GaN發光更明亮，使得ZnO在光電器件方面的應用吸引了科研人員更大的注意。另外，由于ZnO激子具有很好的穩定性,成為在室溫下實現

20、激子有效激發的材料3。在發光特性方面，對ZnO材料的研究已經從本征發光擴展到稀土元素摻雜發光以及電致發光等方面。對于ZnO薄膜發光特性1，一般觀察到的發光峰主有380nm處的近紫外發光峰和510nm處的綠光峰。數研究者認為，380nm的近紫外峰來源于帶邊激子躍遷，而510nm處的綠光峰來源于氧空位。圖7 In摻雜ZnO薄膜的光致發光譜圖7是In摻雜ZnO薄膜的光致發光（PL）譜3。作者認為摻In的ZnO薄膜的PL譜中的藍紫發射雙峰來源于In摻雜所引入的In替位雜質和鋅空位（VZn）缺陷。5. ZnO材料的應用前景由于具有優異的光、電等特性，納米氧化鋅在新興行業和平面顯示、圖像記錄等高新技術領域

21、得到了廣泛的應用。5.1 在傳感、圖像記錄、壓電等領域的應用納米ZnO對外界環境(如溫度、光、濕氣等)十分敏感，外界環境的微小改變會迅速引起其表面或表面離子價態和電子運動的變化，從而立即引起其電阻的顯著變化。目前已經利用納米氧化鋅制出了高靈敏度氣體報警器和濕度計。納米ZnO粉體用于瞬態薄膜傳感器的研究表明，納米氧化鋅便于噴涂與質量控制，易于極化與轉向，表現出比較理想的電特性和動態特性適用于瞬態信號的測定。另外，利用納米ZnO的壓電性能，可制成壓電音叉、振子表面濾波器等；利用其光導電性質用于電子攝影；利用其半導體性質作為放電擊穿記錄紙；利用其導電性質作為電熱記錄紙等。5.2 制作微型激光器最近，

22、Michael HH他們采用外延晶體沉積技術在藍寶石基板上生長出氧化鋅納米線，生成的每個納米線的頂端都有良好的六邊形小平面6。這些納米線成為產生激光自然的共振腔，用一定波長的激光將納米導線中的氧化鋅晶體激活時，晶體發射出波長只有17nm的激光。微型納米激光器可用來鑒別化學物質，用于光計算機和信息存儲等方面。等利用氧化鋅納米線制造出了世界上最小的納米激光器。參考文獻1樓曉波，沈鴻烈，張惠等. ZnO薄膜的結構與光學性能研究.J. 電子元件與料，2007，26（10）：8-11.2余萍，邱東江，樊瑞新等. Al摻雜ZnO薄膜的微結構及電學特性.J. 浙江大學學報（工學版），2006，40（116）：1873-1877.3朋興平，王印月，方澤波等. In摻雜對ZnO薄膜結構及光學特性的影響.J. 半導體學報，2005，26（4）：711-715.4臧國忠,王矜奉,陳洪存等. Na摻雜對ZnO壓敏材料電學性能的影響.J. 電子元件與材料,2