氧化鋅文獻回顧

第二章文獻回顧

2.2 氧化鋅文獻回顧

2.2 氧化鋅文獻回顧 2.2.1 氧化鋅基本物理性質

氧化鋅是一種在大自然界中含量相當豐富且容易取得的材料，屬於 II－VI 族之 n-type 半導體材料，具有寬能帶間隙(bandgap)~3.2-3.4eV，以及約 60 meV 的激子束縛能 (binding energy)，結構為六方晶系(HCP)中之纖鋅礦結構(Wurtzite structure)，晶格常數為 c=5.205 Å ，a=3.249Å [52]

。

在晶體結構中，鋅離子與氧離子主要是以離子鍵作為鍵結，

鋅原子位在六角柱形結構的節點上，而氧原子則是位在四個鋅原子所組成的四面體的中心位置，每一四面體的方向皆沿著六角柱中心軸方向，因此使得氧化鋅結構具有相當優良的對稱性與結晶性。其結構圖與基本物理性質分別如圖 2.8 及表 2.1 所示。因氧化鋅同時具備了光和電的特性，是一種較為特殊的材料。純氧化鋅薄膜的導電性是受到化學計量比所影響，由本質缺陷(native defect)之氧空缺(oxygen vacancies)及間隙型鋅原子 (interstitial zinc)之淺層受體能階(shallowdonor levels)提供，其電阻值為 10^-4－10¹² Ω-㎝

[53]，且因其結構具有六方對稱，沒有對稱中心，所以具有高的壓電特性。高電阻率和高優選取向(highly crystal orientation)的 ZnO 薄膜具有高壓電性質，可以應用於表面聲波元件(surface acoustic wave device, SAW)。具有中等大小電阻率的 ZnO 薄膜可應用於太陽能電池(solarcell)[54]、氣體感測器(gas sensor)[55]。低電阻率的 ZnO 薄膜在可見光波段具有高穿透性，可將其應用在平面顯示器中的透明導電薄膜。

在奈米尺度的應用上，一維(one dimension)氧化鋅奈米結構最值得關注，因其具有卓越的物理特性、化學特性及高深寬比，且比表面積遠大於薄膜晶粒，不但增加氣體感測的反應表面積，更提高感測材料對感測之穩定性、反應時間及靈敏度，相較於薄膜形式更適合用於氣體感測器[55]

圖 2.8 氧化鋅結構圖[56]

表 2. 1 氧化鋅的基本物理特性[57-58]

Property

Mineral name

^zincite

Band Gap Eg(eV)

0 K：3.436 300 k：3.2

Melting point(

℃

)

¹⁹⁷⁵

Heatof formation(eV) 3.6

Density(g/cm

) 5.67

Relative permittivity 8.1

Effective electron mass(m

/m

) 0.28

Dopants B, Al, In, Ga, Si, Sn, F

Crystal structure hexagonal, wurtzite

Space group P6

/mc

Lattice parameters(nm)

a：0.325 c：0.5207

Thermal expansion α(300k)(x10

^-6

K

-1

)

//c：2.92 ⊥c：4.75

Melting point of Zn metal (

℃

) 420

2.2.2 氧化鋅與氧化鋅摻雜金屬之電性

未摻雜的純氧化鋅，其電阻率是由載子濃度(Carrier Concentration, n)及載子遷移率 (Mobility, μ)共同主導，其電阻約為10^-4－10¹²Ω-cm，且具壓電效應，傳統上多應用於壓電材料方面。基於維持電中性的考量，摻雜之陽離子與原化合物兩者的離子半徑必須相近，以避免嚴重的晶格扭曲，且必須比原化合物中的陽離子多帶價電子。若符合此上述規則，則具有較佳的導電性，反之則因電子太多而使電子散射，促使電阻提高。

故近年來有許多相關研究指出，摻雜鋁、鎵、銦等III族元素之氧化鋅薄膜在適當的鍍膜條件下其導電性質會大為提高[59-63]，雜鋁之氧化鋅-鋁薄膜的自由電子濃度提高乃由於Al⁺³取代Zn⁺²而放出一自由電子，可解釋為以Al⁺³當為施體(donor)，並固溶於ZnO 晶體中。氧化鋅-鋁和純氧化鋅在電性方面相比，由於Al⁺³佔據氧化鋅晶格中的間隙位置或是取代Zn⁺²的晶格位置，提高了載子濃度與提供傳導電子，降低電阻率。但Al原子在氧化鋅晶格中亦為離子化雜質散射中心(ionized impurity scattering centers) ，亦有可能佔據晶格結構中之間隙位置而使結晶變形，導致電子移動率下降，因此鋁摻雜有一適當含量。

氧化鋅化合物薄膜最吸引人之處，是由於當氧化鋅被使用在透明導電薄膜時，該透明導電薄膜容易摻雜，而且價位低廉，最重要的是氧化鋅薄膜不具有毒性，因此在元件製程與元件應用上可以安心使用。未被摻雜的氧化鋅薄膜，在使用上化學與物理性質並不穩定，主要原因是氧化鋅化合物中氧原子對於化學吸附及去吸附能力有關，而且與氧化鋅薄膜的導電性質與製造方法有相關。被摻雜後的氧化鋅薄膜的導電性及光特性較具有穩定性[64]，因此，氧化鋅薄膜常常被應用於發光二極體（light emitting diode, LED）、

雷射二極體（ light amplifier stimulating emission diode, LASER ）、壓電元件

（pizo-electronics devices）、感測元件（sensor devices）、半導體材料（semiconductor rmaterial）等[65-72]

在文檔中以高真空壓鑄法製備陣列式氧化鋅-鋁奈米線及氣體感測特性之研究 (頁 33-36)

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