宽禁带氧化物半导体材料的应用前景

ZnO及其合金材料具有宽禁带、高激子束缚能、高击穿场强、高电子漂移速率、自发极化强、环境友好等优点,兼具第三代宽带隙半导体和电子强关联体系的双重特征,是发展紫外光电子器件和功率电子器件的优选材料,在压电传感、记忆存储和柔性电子器件应用方面亦取得了重要进展。ZnO纳米线中应力调控灵活性较强,压电调制势垒的方法可应用于提高紫外探测器的响应性能和太阳能电池光电转换效率;ZnO及ZnMgO合金的带隙可覆盖“日盲”波段(220~280nm),并具有比Ⅲ族氮化物更好的抗辐射损伤能力,因此在空间和国防上具有非常重要的应用价值;

在发光器件方面研究表明,低阈值紫外激光器、日盲紫外光电探测器可在无序或多晶ZnO半导体系统中实现激子型低阈值、低成本紫外光激光器,为光电子集成电路的发展提供有效途径;在电子器件方面研究表明,ZnMgO及ZnO界面可以形成高迁移率2DEG,同时ZnO多晶或非晶薄膜的制备工艺简单、衬底要求低,其非晶金属氧化物半导体系列材料(MgZnO、ZnSnO、InZnO)具有较好的均匀性、较高的透过率、低的制备温度和低成本等优点,特别适用于制作高性能的薄膜场效应晶体管(thin film transistor,TFT);而以一维纳米线为代表的ZnO低维纳米结构由于其优异的单晶特性、界面和量子限制效应等而具有新奇的光学、电学和光电性能,使得此种构型的ZnO微纳器件在显示、光通信、光存储、生物传感和检测领域具有广阔的应用前景,目前主要包括发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、太阳能电池和紫外探测器等。

Ga 材料是一种深紫外光透明半导体氧化物,禁带宽度在4.9eV左右,β-Ga 在280~1100nm范围内是高度透明的,适用于制作透明导电氧化物薄膜,因此在透明显示技术、紫外探测器及太阳能电池等领域有着非常广泛的应用前景。Ga 薄膜对应的吸收波长为253nm,处在太阳光盲区波段(240~280nm)中,因此是制备太阳光盲深紫外探测器的理想材料。通过与氧化铟合金,可以对铟镓氧的禁带宽度进行调节,从而可以选择合适的吸收波长。Ga 基深紫外探测器具有价格便宜且制备方法简单,便于批量生产等优点。

利用Ga 在高温下的化学稳定性,可以制成能在高温下工作的火焰探测器;Ga 纳米材料在制备高灵敏度的气体传感器方面有着非常大的潜力,可广泛用于探测包括O 、H 、CH 等各种气体,β-Ga 气体传感器的特点是可以在高温下工作。通过采用纳米颗粒、纳米薄膜、纳米管和纳米线等结构,可以大幅度提高其探测灵敏度。而在功率器件方面,β-Ga -MOSFET显示了非常优异的器件特性,包括具有高的开态漏极电流(39mA)、高的关态耐压(370V以上)、非常小的漏电流(测量极限数pA/mm以下)、高的on/off电流比(10位数以上)等。这种使用新型的宽禁带半导体材料β-Ga 的半导体场效应晶体管的开发将为新的高性能功率器件在高压和低压的应用上铺平道路,不仅能直接对节能降耗做出贡献,而且对我国的经济特别是半导体产业也是一个新机遇。

GaTiO 材料本身的优越特性包括优良的光学参数、能带可调控、载流子的双极输运、高迁移率、长使用寿命、制备方法简单多样、低成本、低能耗等。正是这些特性使得GaTiO 太阳能电池技术成为近五年来太阳能光伏领域发展最为迅速的一种技术,也是目前GaTiO 材料光电技术应用受到高度重视的发展方向。同时各种GaTiO 结构材料在催化、传感、光电和电子器件等其他应用中也占据着重要的地位。

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