氧化锌半导体未来发展趋势如何？

摘要： 氧化锌是一种极具潜性的宽禁带直接带隙半导体材料（~3.37 eV，室温下），其激子束缚能高达60 meV，远高于GaN（约25 meV），这使得它在室温下也能实现高效的激子发光，因...

氧化锌是一种极具潜性的宽禁带直接带隙半导体材料（~3.37 eV，室温下），其激子束缚能高达60 meV，远高于GaN（约25 meV），这使得它在室温下也能实现高效的激子发光，因此在光电器件领域备受瞩目。

尽管潜力巨大,ZnO的商业化进程却相对缓慢，其核心挑战在于高质量、重复性好、低缺陷密度的p型掺杂以及可靠稳定的欧姆接触，当前的发展趋势主要集中在如何克服这些瓶颈，并探索其在新兴领域的独特应用。

以下是ZnO半导体发展的几个核心趋势：

克服p型掺杂瓶颈，实现同质结

这是ZnO领域最根本、最核心的挑战，ZnO的p型掺杂主要通过掺入受主杂质（如氮N、磷P、砷As）来实现，但存在诸多问题：

• 自补偿效应：施主缺陷（如锌填隙Zn_i、氧空位V_O）浓度过高，会抵消受主杂质的作用。
• 受主激活能高：掺杂的受主能级通常距离价带顶较远，室温下电离率低，空穴浓度低且迁移率差。
• 固溶度低：受主原子在ZnO晶格中的溶解度有限，难以实现高浓度掺杂。

发展趋势与解决方案：

1. 新型掺杂与协同掺杂：研究新的受主元素或采用两种及以上元素协同掺杂（如Al-N共掺、Ga-N共掺），利用协同效应降低受主激活能，提高空穴浓度。
2. 非平衡掺杂技术：利用脉冲激光沉积、分子束外延等非平衡生长技术，实现传统热平衡方法无法达到的高浓度掺杂。
3. 第一性原理计算指导：借助计算材料学，预测和筛选更有效的受主杂质，理解掺杂机理，指导实验方向。
4. 同质结的探索：一旦p型掺杂取得突破，将能制备出高质量的p-n同质结，这不仅能极大提升LED和激光器的性能，还能简化器件工艺，降低成本，是ZnO走向实用化的关键一步。

柔性与可穿戴电子器件

ZnO优异的压电性和生物相容性，使其在柔性电子领域具有天然优势。

发展趋势与解决方案：

1. 柔性透明电极：通过低温制备技术（如溶液法、原子层沉积ALD）在柔性基底（如PET、PI）上生长ZnO纳米线薄膜或掺杂ZnO薄膜，作为透明导电电极，替代部分ITO（氧化铟锡），因其成本低、柔韧性好、无毒。
2. 压电器件：
   • 纳米发电机：利用ZnO纳米线阵列的压电效应，将机械能（如人体运动、声波、振动）转化为电能，为微型传感器或可穿戴设备供能。
   • 柔性传感器：制备基于ZnO的柔性压力、应变、气体传感器，用于健康监测（如脉搏、呼吸）、智能机器人等领域。
3. 紫外柔性光电探测器：在柔性基底上构建ZnO基紫外探测器，可弯曲、轻便，适用于可穿戴健康监测、环境监测等场景。

紫外光电器件的深化与集成

尽管面临GaN的激烈竞争,ZnO在深紫外波段（<280nm）仍有一定潜力，尤其是在低成本、短波长应用上。

发展趋势与解决方案：

1. 深紫外LED与激光器：通过调控ZnO的能带结构（如MgZnO合金实现带隙可调），目标是实现高效、稳定的深紫外LED，用于杀菌消毒、水净化、气体传感等领域，目前主要挑战是p型MgZnO的制备。
2. 光电探测器：ZnO基紫外探测器具有响应速度快、暗电流低、无紫外“致盲效应”等优点，发展趋势是提高其响应度、探测率和选择性，并实现微型化、阵列化。
3. 表面等离激元光电器件：利用ZnO与金属纳米结构结合，利用表面等离激元效应增强光物质相互作用，可突破传统光电器件的衍射极限，用于超高灵敏度的传感或超快光开关。

功率电子器件

ZnO的高击穿场强（~ MV/cm）和高电子饱和漂移速度（~ 3.7×10⁷ cm/s），使其成为下一代功率半导体材料的有力竞争者，尤其是用于替代Si基MOSFET。

发展趋势与解决方案：

1. 横向与垂直功率器件：研究基于ZnO的肖特基势垒二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管等，垂直结构（如FinFET）因其更高的电流密度和击穿电压而更具潜力。
2. 降低界面态密度：高质量栅介质/半导体界面的制备是关键，需要开发新的界面钝化技术，以降低界面态密度，提高器件的稳定性和可靠性。
3. 异质集成：将ZnO功率器件与成熟的Si或GaN基驱动电路集成在同一芯片上，发挥各自优势，实现系统级优化。

低维结构与量子效应

ZnO易于通过溶液法、气相法等技术合成各种低维结构，如纳米线、纳米带、纳米棒、量子点等。

发展趋势与解决方案：

1. 纳米激光器：单根ZnO纳米线或纳米带可以作为优异的激光谐振腔，实现室温下的紫外激光发射，其尺寸小、阈值低，是集成光子学的理想单元。
2. 量子点发光二极管：利用ZnO量子点作为发光层，QLEDs具有发光效率高、色彩纯度高、溶液加工成本低等优点，是下一代显示技术的有力候选者。
3. 单电子器件与自旋电子学：ZnO量子点可用于研究单电子输运现象，ZnO中存在稀磁半导体效应（如掺入过渡金属元素），为开发自旋电子器件提供了可能。

计算与人工智能辅助设计

这是一个跨学科的重要趋势,正在加速材料研发进程。

发展趋势与解决方案：

1. 高通量计算筛选：利用AI和机器学习算法，在庞大的化学空间中快速筛选出潜在的、性能更优的p型掺杂剂、合金组分或界面结构。
2. 性能预测与优化：通过建立“结构-性能”之间的数据库和模型，预测新材料的电学、光学和力学性能，指导实验方向，减少试错成本。
3. 生长过程模拟：模拟ZnO在不同生长条件下的动力学过程，理解缺陷的形成机制，从而优化生长工艺，获得更高质量的外延薄膜。

氧化锌半导体的发展正处在一个机遇与挑战并存的关键时期,其总体趋势可以概括为：

• 核心攻坚：集中力量解决p型掺杂这一“卡脖子”问题，为同质结器件铺平道路。
• 特色应用：充分发挥其在压电、柔性、生物相容性方面的独特优势，深耕可穿戴电子、纳米发电机等新兴市场。
• 差异化竞争：在深紫外、功率电子领域，避开与GaN的正面竞争，寻找成本和性能上的差异化优势。
• 前沿探索：大力发展低维结构和量子器件，探索其在基础科学和未来技术中的颠覆性应用。
• 智能驱动：借助AI和计算材料学，实现研发范式的变革，加速ZnO从实验室走向产业化的进程。

随着基础研究的不断深入和制备技术的持续进步,ZnO半导体有望在更多领域大放异彩，成为下一代半导体技术的重要组成部分。