氧化鋅之性質與應用

氧化鋅是二六族(II-VI)化合物半導體，其結晶結構有纖鋅礦(wurtzite)、閃鋅礦 (zinc blende)、岩鹽(rocksalt)等，如圖 2.20 所示，其中，纖鋅礦結構是在大氣下熱 力學上最為穩定之固相結構⁵¹，為晶格常數a = b = 3.249 Å、c = 0.5207 Å 之六方 晶系，以一個Zn²⁺被四個 O^2-所包圍或一個O^2-被四個 Zn²⁺所包圍之四面體結構沿 著c 軸堆疊而成，在 c 軸上形成極性之[0001]與[0001]面，而造成 c 軸之極化^{36, 52}。

氧化鋅因其特殊的性質而受到很大的關注，例如：寬的直接能隙(wide direct bandgap)、高激子束縛能(exciton binding energy)、於室溫下有高的熱學與機械穩定 度，而常被應用於電子、光電、雷射等⁵³，以下針對幾項氧化鋅之性質及其應用做 一簡介。

1. 電學性質、摻雜及其應用

氧化鋅為二六族半導體，其本質上屬於n 型半導體，是透過本質缺陷(intrinsic or native defects)作為其載子的來源。在晶格中之本質缺陷可以分成三種：(1)空缺 (vancancies)：在應有原子之位置有遺漏之原子，(2)填隙(interstitials)：在原本的晶 格排列之原子之間中有額外的原子佔據，(3)反位(antisites)：原應填入某原子之晶 格位置被另一種原子所取代 ⁵⁴。而氧化鋅中常見之本質缺陷為氧空缺(oxygen vacancies)、鋅填隙(zinc interstitials)、鋅空缺(zinc vacancies)等，而氧空缺與鋅填隙 做為施體(donor)，常被視為是氧化鋅 n 型導電性之來源⁵⁵；然而，亦有理論提出氧 空缺屬於深層施體(deep donor)，故無法提供氧化鋅 n 型導電性^{54, 56}，又鋅填隙雖

除了本質缺陷之外，亦可透過摻雜(doping)來調控氧化鋅之半導體性質，以 n 型氧化鋅半導體來說，常見以硼、鋁、鎵、銦等三族元素取代鋅作為淺層施體之摻 雜，或以氟取代氧；對p 型氧化鋅半導體之摻雜元素則是以鋰、鈉、鉀等鹼金族元 素取代鋅、以氮取代氧⁵⁴。

而因氧化鋅之半導體特性，而可應用於薄膜電晶體(thin film transistor, TFT)源 極與汲極之間的半導體通道⁵⁹。

2. 光學性質與其應用^{54, 60}

室溫下氧化鋅之直接能隙為3.37 eV，為一寬之直接能隙，故可提供藍光與紫 外光段之光電應用，例如：發光二極體、雷射、光感測器、太陽能電池等。此外，

因其具有高激子束縛能，在室溫下可以提供充足的激子放光，而為一前景看好的光 學元件材料。此外，因氧化鋅晶格中之鋅空缺，而於綠-白波段有強烈之螢光 (luminescence)，可應用於螢光顯示器等。

3. 壓電性質與其他機械性質及其應用^{52, 54}

因氧化鋅之纖鋅礦結構中無對稱中心，使其具有高的壓電常數，故在機械能與 電能之間的轉換上有好的表現。其應用為致動器(acturator)、感測器(sensor)、轉換 器(transducer)等。

4. 熱學性質及其應用^{53, 54}

氧化鋅之熱傳導係數高，而常被應用於添加劑，例如：在橡膠中添加氧化鋅之 奈米粒子，在改善其低熱傳導的同時，亦能維持其高電阻之特性。

圖2.20 氧化鋅之結晶結構示意圖⁵¹。(a)岩鹽結構，(b)閃鋅礦結構，(c)纖鋅礦結 構。其中，灰色為鋅原子、黑色為氧原子。