浅谈氧化锌半导体材料的性能研究与制备进展

张晓辉

（国家知识产权局专利局通信发明审查部，北京 100088）

1 氧化锌半导体性能的基本概述

1.1 压敏性质的概述

随着近年来社会主义市场经济的不断发展和城市化、工业化建设进程的不断加快，与其它半导体材料相比，压敏性质是氧化锌的重要性能特征，具有良好的非线性I-V特性。通常而言，在应用过程中，氧化锌的电压、电流和电阻符合欧姆定律，通过下图分析可知，在作业过程中，当电压超过阈值时(即压敏电压)进入击穿区后，微小变化的电压都会引起电流迅速增加，因此电力企业可根据I-V特性变化趋势，来对电路过流进行保护，以确保企业可持续发展目标的实现。就目前来看，氧化锌压敏电阻值相对较高，因此相比其它压敏材料，耐浪涌能力强、限电压特性优良是其显著特点，且经大量调研数据分析可知，压敏电压与电极间的晶界数成正比。

1.2 气敏性质的概述

通过大量调研数据分析可知，氧化锌半导体还具有良好的气敏特性，因此这种材料也常被用于制作气敏器件，且就目前来看，半导体表面层的电导率与所吸附的气体有关。随着近年来城乡一体化建设进程的不断加快和科学技术的不断进步，气敏原件的制备元件也发生了显著变化，但最初元件的制作所用到的材料就是氧化锌半导体，在较低温度环境下，气体的物理和化学吸附同时存在，并随温度升高而逐渐增加，当达到一定高温时，由于高温解吸作用气敏元件灵敏度则会逐渐降低，最高灵敏度温度在450℃左右。除此之外根据大量调研数据分析可知，氧化锌半导体在吸附水蒸气时，其表面电导率也会发生显著变化，与一般半导体相比，无论是响应速度还是响应的准确度，湿敏元件有着极高的应用优势。

1.3 压电性质的概述

简单来讲，所谓的“压电性”是指某些晶体材料，按一定比例施加机械应力后产生电荷的能力，各种功能转换器件的制作，其主要就是利用压电效应。经大量调研数据分析可知，在当前城乡一体化建设进程不断加快的产业时代背景下，氧化锌半导体因其具备显著的压电性质，为高质量定向外延薄膜的生长创造了良好条件。就目前而言，在氧化锌半导体应用过程中，材料厚度的大小对换能器工作质量和工作效率具有一定影响，故而为制出超高频换能器，严格控制压电材料薄膜厚度是极为必要的，结构上也还必须保证结晶取向基本相同，只有如此其压电效应如同单晶，不会导致机电耦和系数降低。

2 氧化锌薄膜制备方式的基本概述

2.1 溶胶-凝胶法

与其它几种薄膜制备方式相比，溶胶-凝胶法具有极强的可操性，与此同时无论是制备成本、制备效率和设备投资，都具有显著优势，是现阶段基层产业机构和相关主管部门常用的一种制备手段，制成的薄膜也具有记号的均匀性。在进行制备过程汇总，具体而言其制备流程如下，即“准备含锌的有机醇盐——采用浸渍提拉法或旋涂法将有机醇盐溶胶均匀涂于基片上——待凝胶形成——加热处理——形成薄膜”，在制备过程中，基层产业机构和相关主管部门工作人员需要注意的是，由于金属醇盐不仅较为昂贵，此外锌的某些醇盐还具有一定的爆炸性，因此为提高薄膜的制备成功率，提高制备的安全性，部分企业也常用醋酸锌或硝酸锌代替含锌的有机醇盐。根据大量调研数据分析可知，通过“溶胶-凝胶法”制成的薄膜，其结构和性能在很大程度上与后期处理温度息息相关，因此要想制备均质透明、性能稳定的薄膜，基层产业机构和相关主管部门的工作人员不仅需严格控制后期温度，此外由于薄膜与基片附着力较弱，通常需要涂5层～10层方可满足预期薄膜制备的需求。

2.2 喷雾热解法

在进行薄膜制备过程中，由于氧化锌制备过程对于温度有着较高要求，因此为从根本上确保制备质量和制备效率，喷雾热解法也是现阶段基层产业机构和相关主管部门常用的一种制备方式。与“溶胶-凝胶法”制备相比，这种方式虽然制备成本较高，但是其制备质量和制备效率也具有显著优势，尤其在当前经济贸易往来愈发频繁的新市场经济常态下，为在多元化市场竞争环境下，提高企业的竞争优势，确保产品制备效益和制备质量是极为必要的，具体而言，喷雾热解法的制备流程如下，即“配置前驱体溶液——将溶液以气凝胶的形式引入反应腔中——利用喷雾装置将液体雾化喷涂到加热的基板上——将基板温度控制在T=673K——选Ar作载气体获得高质量氧化锌薄膜”。在氧化锌薄膜制备过程中，通常而言为确保制备质量和制备效率，亦或是制备成满足企业需求的氧化锌薄膜，在溶液中掺杂一定质量分数的ⅢA族元素或ⅣA族元素是极为必要的，只有如此才能确保制成的氧化锌薄膜能满足实际应用需求。除此之外，喷雾热解法在应用过程中，为从根本上提高应用的科学性、合理性和有效性，基层产业机构和相关主管部门需经多次试验来确定最佳的喷嘴流速和基片温度参数值。

2.3 溅射法

随着近年来社会主义市场经济的不断发展和科学技术的不断进步，在氧化锌薄膜制备过程中，溅射法是当下基层产业机构和相关主管部门应用最成熟也是最普遍的一种薄膜制备技术，与“溶胶-凝胶法”和“喷雾热解法”相比，溅射法的使用，不仅能有效地控制制备成本，此外无论是制备质量还是制备效率，都发挥了显著优势，能在提高成膜率的基础上，为预期企业可持续发展目标的实现奠定良好基础。所谓的“溅射”其实简单而言，是指当具有一定能量的粒子束轰击固体表面时，固体表面的原子就会获得能量而从表面逸出，而逸出的这个过程就是溅射。经大量调研数据分析可知，在氧化锌薄膜制备过程中，溅射法的具体操作流程如下，即“以Zn为靶材—将O2或O2/Ar充入真空腔中—在靶材两端施加一定电压—溅射出的Zn粒子在加速电压作用下与O2反应—在基片上形成氧化锌薄膜”。在氧化锌薄膜制备过程中，通常而言由于薄膜成分与靶材成分具有一定的相似性，因此为从根本上规避其它问题的产生，基层产业机构和相关部门可选用混有一定量Al2O3或其他杂质的ZnO为靶材。在“溅射法”应用过程中，溅射过程不发生化学反应称为普通溅射，若在垂直于电场方向加一磁场影响离化率及溅射速率的称为磁控溅射。

3 结语

简而言之，在当前城市化、工业化建设进程不断加快的产业时代背景下，氧化锌半导体因其具备多种优秀性能，因此被广泛地应用于大规模集成电路和电子信息工业生产中，而氧化锌薄膜作为重要的元件之一，正好符合迅速发展的大规模、超大规模企业发展需求，是一种很有前途的TCO材料，故此为从根本上促进企业可持续发展目标的实现，对氧化锌薄膜制备工艺进行不断调整和优化，是当前推动我国进一步发展的重要战略发展手段。