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ZnO、MgZnO异质结紫外光发射器件的研究

刘春阳  
【摘要】:宽禁带半导体ZnO具有高激子束缚能(60meV)、低生长温度和低成本等诸多优势,是一种理想的紫外光电材料。作为ZnO研究的核心内容,ZnO基紫外光发射器件长久以来受到了众多研究人员的广泛关注。尤其深紫外发光和激光二极管在高密度存储、光化学和军事国防等领域具有广阔的应用前景,成为目前光发射器件的重要发展方向。将能带工程的思想应用到ZnO体系,制备MgZnO合金材料及发光器件,可以实现带隙的剪裁和波长连续可调的深紫外发射。然而,稳定的、可重复的p型ZnO仍然难以实现,是制约ZnO基同质结器件发展的主要瓶颈。因此,异质结器件的研发成为了当前ZnO发光器件研究的主要选择。本论文以ZnO及MgZnO合金材料为基础,开展了(Mg)ZnO基异质结光发射器件的研究工作,对电致发光和电泵浦激光的特性以及物理机制进行了深入研究。主要内容如下: 作为异质结器件的核心部分和材料基础,我们首先研究了脉冲激光沉积制备MgZnO合金薄膜的生长规律。系统研究了脉冲激光沉积过程中的衬底温度、氧气压强和靶材组分等主要生长参数对MgZnO薄膜的组分、结构、光学和电学等物性的影响,优化了制备高Mg组分、高质量的单相的纤锌矿结构MgZnO合金薄膜的生长条件。 在光发射器件的开发方面,首先利用与ZnO物理性质非常接近的p型GaN作为空穴注入层,设计构造了一系列p-GaN/n-Mg_xZn_(1-x)O异质结器件。通过对电致发光光谱的的分析,结合光致发光、I-V特性和能带模型等内容,详细讨论了异质结器件电致发光的复合机制。证实了ZnO/GaN异质结位于400nm附近的电致发光主要是来自于结区的界面跃迁复合,而MgZnO/GaN异质结中与Mg组分无关的390nm附近的电致发光是由p型GaN自身的浅施主能级到Mg受主能级间的跃迁发射主导的。 在p-n异质结器件中,难以实现纯净的源自ZnO的紫外电致发光,因而我们设计了金属-绝缘体-半导体(MIS)异质结构,希望利用势垒层对载流子的限制效应获得ZnO的激子发射。在与微电子技术完全兼容的生长条件下,我们直接在Si衬底上制备了Au/MgO/ZnO的薄膜MIS结器件,实现了激子属性的电泵浦随机激光。通过与晶格外延的GaN衬底上MIS结器件的对比研究,Si衬底与ZnO薄膜之间巨大晶格失配产生的应力诱导了ZnO多晶薄膜的岛状生长模式,高无序的表面形貌增强了随机激光中的光学散射,因而提高了Si衬底MIS结的器件性能。根据带隙工程的思想,使用MgZnO合金薄膜代替ZnO作为MIS结器件的激活层,实现了波长可调的紫外电致发光和电泵浦随机激光。变温光谱等分析表明,在高组分MgZnO器件中,合金薄膜中形成了自组装的富Zn量子点团簇,器件的电致发光是MgZnO的激子发射与富Zn量子点发射的复合。随后,我们将ZnO的MIS结器件移植到了锌箔衬底上,利用了金属衬底更好的散热性质,实现了ZnO的柔性激光器件。 然而,异质结的能带失配降低了载流子注入效率,从而影响了发光器件的量子效率,构造纳米器件可以有效的减轻这一问题。因此,我们从传统的平面器件拓展到纳米尺度。在掌握了水热合成形貌可控的纳米线阵列基础上,结合电子束沉积技术制备了ZnO/MgO核壳纳米线结构。并基于核壳纳米线阵列构造了MIS结器件,实现了源自ZnO纳米线的室温电泵浦随机激光。相比于相同结构的薄膜器件,核壳纳米线激光二极管具有更低的阈值电流和更高的发射效率。


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