《微电子材料制备》课程论文题目：ZnO薄膜材料制备技术及应用专业班级：通信103班学生姓名：X X X成绩：2012年12 月15 日近几年，ZnO作为宽禁带半导体受到人们越来越多的重视。

和目前最成功的宽禁带半导体材料GaN相比，ZnO具有很多优点。

本文综述了ZnO薄膜的制备的主要方法及其优缺点。

并深入探讨了ZnO薄膜材料的应用及其发展前景。

关键词：ZnO薄膜；应用；微电子；In recent years, ZnO as wide bandgap semiconductor gets more and more attention. And the most successful wide bandgap semiconductor material than GaN, ZnO has many advantages. This paper reviews the preparation of ZnO thin film of the main methods and their advantages and disadvantages. And probes into the ZnO thin film materials application and development prospect.Keywords: ZnO film; Applications; Microelectronics;第1章绪论1.1 课题背景近几年．由于短波长激光二极管LD激光器的前景，人们对宽禁带半导体的研究产生了极大的兴趣。

目前已经制造出GaN和ZnSe基的蓝光发光二极管和激光器。

蓝色发光器件的研制成功，使得全色显示成为可能，而且可以制作出高亮度和高效率的白光发射器件。

本文系统综述了Zn0薄膜的制备的主要方法及其优缺点。

并探讨Zn0薄膜材料的应用前景。

陶瓷、光学玻璃、单晶硅或其他人工晶体等无机非金属材料表面经常需要导电互连或其他表面功能化加工,如陶瓷基印制电路板、多层芯片封装、微电子和微机械器件等。

这些材料,特别是先进无机材料表面的金属化已成为特别重要的工艺技术。

从冶金学观点看,这些材料与其表面金属覆盖层之间的交互作用之中,延晶、扩散和键合的作用十分微弱。

因而,形貌的影响显得比较突出。

为了尽可能地提高基体与镀层之间的结合力,这些材料在镀前必须进行刻蚀处理,适当地增大工件表面的粗糙度和接触面积,以便获得理想的表面形貌和润湿性能。

同样,在赋予基体表面催化活性的工艺流程,如表面调整、催化和解胶等工序操作时必须小心谨慎。

尽管如此,结合力仍然不高。

早期曾采用过物理方法沉积金属使非金属工件表面具有导电性能,然后电镀增厚作为装饰性镀层。

近代也有采用气相沉积(PVD、CVD等)、离子注入、激光表面熔覆等表面改性技术作为镀前处理方法,极大地提高了金属化层的结合力。

然而,这些工艺同时也受到物理场强分布不均匀、真空室容积有限、生产效率较低等制约。

由于在某些情况下化学镀具有不可替代的优越性,采用物理方法与化学方法、干法与传统湿法工艺相结合的技术路线就有可能取得突破,至少可能获得长足的进步。

在高技术产业已经出现了这种“向上兼容”的趋势。

喷雾热解法制备ZnO薄膜的初始目标是研究开发一种透明的导电材料。

近来发现它作为中间层,显著地提高了金属化层在高光洁度的无机非金属材料表面的结合力;ZnO 薄膜的光催化反应特性有可能使其成为一种创新性的全加法工艺。

这一发现目前正受到国际电化学和固体电子科技界的高度重视。

1.2 ZnO薄膜性质1.2.1 光电特性ZnO薄膜是直接带隙半导体，具有很好的光电性质，对紫外光有较为强烈的吸收，在可见光区，光透过率接近90%。

ZnO薄膜的光电特性与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶密度相关，在适当的制备条件及掺杂条件下，ZnO薄膜表现出很好的低阻特征，使其成为一种重要的电极材料，如太阳能电池的电极、液晶元件电极等。

用氢等离子处理的ZnO:Ga薄膜也可用于太阳能电池，η=13%。

高的光透过率和大的禁带宽度使其可作太阳能电池窗口材料、低损耗光波导器件及紫外光探测器等。

而它的发光性质及电子辐射稳定性则使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料，并在紫外光二极管激光器等发光器件领域有潜在的应用前景。

尤其是ZnO光泵浦紫外激光的获得和自形成谐振腔的发现更加激起了人们对其研究的热情。

同时由于ZnO对光波具有的选择性(可见光区的高透射性和红外光区的高反射性)，可作为一种热镜材料来制成低辐射幕墙玻璃。

ZnO在室温时典型的PL谱中在3.30eV(375nm)附近含有本征UV峰，在2.29eV(540nm)附近往往都会出现一个对应于绿光波段的展宽峰，并向两边延伸至黄光和蓝光波段。

[2]关于ZnO薄膜的紫外发光机制的看法较一致：源自带间跃迁和激子复合。

目前，对于蓝绿发光特性，研究认为，ZnO的本征点缺陷与薄膜蓝绿发光机制有着紧密的联系。

对于具体的影响机制，人们普遍认为绿光与氧空位有关。

ZnO薄膜的蓝绿发光特性，可以应用于平板显示领域和制备短波长发光二极管。

1.2.2气敏特性ZnO是一种典型的表面控制型半导体气敏材料，ZnO薄膜光电导随表面吸附的气体种类和浓度不同会发生很大变化。

依据这个特点，ZnO薄膜可用来制作表面型气敏器件，通过掺入不同元素，可检测不同的气体，如未掺杂的ZnO对还原性、氧化性气体具有敏感性，掺Pd、Pt的ZnO对可燃性气体具有敏感性，掺Bi2O3、Gr2O3、Y2O3等的ZnO薄膜对H2具有敏感性，而掺La2O3、Pd或V2O5的ZnO对酒精、丙酮等气体表现出良好的敏感性。

ZnO薄膜经某些元素掺杂后对有害性气体、可燃性气体、有机蒸汽具有良好的敏感性。

利用这些性质，可以制成各种气敏传感器应用于健康检测、监测人体内的酒精浓度、监测大气中的有害气体含量等。

1.2.3压电特性ZnO薄膜具有优良的压电性能，如高机电耦合系数和低介电常数，是一种用于体声波（BAW）尤其是表面声波（SAW）的理想材料。

SAW要求ZnO薄膜具有c轴择优取向，电阻率高，从而有高的声电转换效率；且要求晶粒细小，表面平整，晶体缺陷少，以减少对SAW的散射，降低损耗。

ZnO在低频方面，主要用于传感器，但存在直流电致损耗；而在高频方面，具有良好的高频特性，随着数字传输和移动通信信息传输量的增大，SAW 要求超过1GHz的高频，因此ZnO压电薄膜在高频滤波器、谐振器、光波导等领域有着广阔的发展前景。

这些器件在大存量、高速率光纤通信的波分复用、光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等民用及军事领域的应用也非常广泛。

日本松田公司已在蓝宝石基片上外延ZnO薄膜制作出低损耗的1.5GHz的高频SAW 滤波器。

1.2.4 压敏特性ZnO薄膜的压敏性质主要表现在非线性伏安特征上，ZnO压敏材料在外加电压作用下，存在一个阈值电压，即压敏电压，当外加电压大于压敏电压时，就进入击穿区，此时外加电压的微小变化会导致电流的迅速增大，变化幅度由非线性系数（α）来表征。

ZnO因其非线性系数高，电涌吸收能力强，在电子电路等系统中被广泛用来稳定电流，抑制电涌及消除火花。

由于集成电路的快速发展，对压敏电阻也越来越要求低压化和小功率化。

而具有高非线性系数α值、压敏电压低于5V的压敏电阻对于超大规模集成电路变得越来越重要。

第2章ZnO薄膜材料制备2.1 磁控溅射磁控溅射是建立在气体辉光放电基础上的一种薄膜制备技术。

磁控溅射按工作电源可分为直流(DC)磁控溅射和射频(RF)溅射两种。

直流磁控溅射一般以金属Zn为靶材，以的混合气体为溅射气氛。

射频磁控溅射～般用晶体作为射频振荡器，射频频率一Ar和02般在5—30MHz之间，溅射用的靶材一般为粉末烧结的陶瓷ZnO，为保证化学计量比，一。

溅射气氛有氩氧混合气和纯氧两种。

在溅射过程中，般在溅射气氛中掺入一定比率的02辉光放电产生的正离子经电场加速，轰击阴极靶材。

通过动量交换，将靶材以原子、离子和二次电子等形式剥离。

辉光放电可以通过调节合适的气氛达到自持。

2.2 离子束溅射和电子柬蒸发高能离子从离子枪喷射到陶瓷靶上，离子与靶材粒子作动量交换，靶材原子被轰出靶面，溅射粒子在加热的衬底表面与氧气反应，形成薄膜。

在溅射系统上装上反射高能电子衍射装置(RHEED)，可以对薄膜生长进行原位监测。

电子束蒸发与离子溅射的原理基本一致。

只是电子蒸发时，入射到靶面的是电子束。

2.3 脉冲激光沉积(PLD)脉冲激光沉积技术(PLD)的使用可以追溯到20多年前，瞬间蒸发的等离子体有充足的动能，在相对较低的衬底温度下能够沉积高质量的znO薄膜．薄膜组分也能够精确控制；而且非接触加热。

无污染。

适宜于超高真空下制取高纯薄膜。

脉冲激光沉积生长速率较低，一般一小时生长几十到几百个纳米．生长的Zn0薄膜的质量很好，因此可实现原子层状生长，也可以用来制备Zn0/Cd,和ZnO/MgZnO多层结构材料。

由于蒸发ZnO陶瓷靶材会导致微量ZnO分解，沉积在衬底上的ZnO薄膜会有较多的空位，因此在生长室中通：是生长化学计量比的Zn0单晶体的关键。

PLD法生长ZnO薄膜的衬底温度入一定量的02相当高，这有利于ZnO的晶体生长，但对界面要求苛刻的应用场合却是一个大问题。

2.4 金属有机化学气相沉积(MOCVD)金属有机化学气相沉积(M0CVD)是一种广泛用来生长半导体和氧化物外延薄膜的技术。

目前．这项生长技术己发展到相当成熟的阶段，在工业生长中得到了广泛的应用。

用MOCVD生长Zn0薄膜。

一般用二甲基锌(DMZ)或二乙基锌(DEZ)作为锌源。

0源一般有O2，C02，N20和醇类。

目前，人们普遍采用DEZ作为Zn源，纯O2：作为氧源。

DEM的蒸气压比DME低，用它生长Zn0，更容易控制生长速率，有利于控制膜厚和晶粒尺寸的均匀性。

有利于提高电子迁移率。

MOCVD法制备Zn0薄膜的质量随着该技术近年来飞速发展有最著地提高。

目前。

MOCVD是几种能稳定生长单晶Zn0薄膜的方法之一。

综合来看，M0CVD是一种生长高质量Zn0薄膜的先进设备。

很适用于ZnO薄膜的超高频SAW器件和光电子器件应用研究开发。

2.5 分子束外延(MBE)技术分子束外延(MBE)是系统维持高真空度和衬底原子级清洁的条件下，通过原子、分子或离子的物理沉积实现外延生长。

用分子束外延生长Zn0薄膜，一般是在超高真空(UHW)境下，将置于Knudsen室中的金属Zn加热蒸发，Zn原子与0原子在衬底表面吸附后发生反应，结晶形成Zn0薄膜。

第3章ZnO薄膜的应用2．1 压电器件Zn0薄膜具有优良的压电性能。

如高机电耦合系数和低介电常数，是一种用于体声波(BAW)尤其是表面声波(SAW)的理想材料。