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ZnO/GaN异质结LED的结构调控与性能改善研究

杨柳  
【摘要】:近年来,短波长LED器件因其在军事民用等领域展现的巨大应用潜力,吸引了研究人员极大的兴趣,已成为当今光电子领域的研究热点。半导体材料发光领域发展迅速,作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,ZnO材料具有直接宽带隙(室温带隙为3.37eV),高激子束缚能(60 meV),大的光学增益系数(10~5 cm~(-1))等优点,被认为是发展低阈值紫外发光二极管和激光二极管的理想材料。目前,ZnO材料p型掺杂问题仍没有得到很好的解决,高质量、可重复性好、稳定性高的p-ZnO难以获得,制约了其同质结光发射器件的发展。研究人员通过构筑ZnO基异质结构,实现其光发射器件效率和稳定性等方面的提升和改善。GaN材料同属于第三代半导体发光材料,掺杂工艺成熟,结构与ZnO相似,晶格失配度小,其与ZnO构建的n-ZnO/p-GaN异质结LED展现了良好的发光性能。但是,n-ZnO/p-GaN异质结界面仍存在晶格失配与能带失配等问题,器件发光效率较低,进一步提升n-ZnO/p-GaN光发射器件的效率,改善ZnO紫外发光一直是研究人员追求的目标。本论文在制备高质量ZnO薄膜和构筑n-ZnO/p-GaN异质结LED的基础上,借助界面工程的思想,通过引入介电绝缘Al_2O_3层,对异质结界面处的载流子输运进行有效调控;在此基础上,将Ag纳米线表面等离激元(SP)引入器件结构,构筑了Ag纳米线修饰的n-ZnO/Al_2O_3/p-GaN异质结LED原型器件;利用界面插层调控及Ag纳米线SP修饰,提高了异质结器件的紫外发光效率,实现了发光波长在可见和近紫外区的可控调节;系统研究了绝缘层和Ag纳米线SP性质对n-ZnO/p-GaN异质结LED发光性能的影响,提出了发光增强和效率改善的物理机制。论文的主要研究内容如下:利用原子层沉积(ALD)技术,在p-Ga N衬底上制备了高质量的ZnO薄膜,构造了n-ZnO/p-GaN异质结原型器件。通过改变衬底温度,循环次数和前驱体比例等制备条件,实现了对ZnO薄膜光电性能的调控。系统研究并优化了ALD技术制备高质量ZnO薄膜的最佳条件,为后续进一步对该n-ZnO/p-GaN异质结器件进行界面插层修饰和效率改善奠定基础。以上述构造的n-ZnO/p-GaN原型器件为基础,在异质结界面插入介电绝缘Al_2O_3层,研究了绝缘层厚度对异质结发光的影响,实现了界面载流子的有效调控和输运,获得了源于ZnO有源层的本征紫外发光增强。进一步,引入Ag纳米线SP,利用其共振能量与ZnO紫外发射能量相匹配的特点,使得ZnO激子与Ag纳米线SP可以发生共振耦合相互作用,导致了ZnO发光层内量子效率的提升,改善了n-ZnO/p-GaN异质结器件的光发射效率。设计并构造了Ag纳米线修饰的n-ZnO/p-GaN异质结LED,通过改变Ag纳米线的表面覆盖浓度,研究了不同覆盖密度的Ag纳米线对异质结发光性能的影响,通过ZnO激子和Ag纳米线SP的共振耦合作用,获得了ZnO近紫外区电致发光增强,抑制了与ZnO缺陷相关的黄绿光发射,最终实现了发光波长从黄绿光到蓝紫光的可控调节。时间分辨光谱和变温光谱测试以及时域有限差分模拟法证实了ZnO激子和Ag纳米线SP之间存在有效的共振耦合相互作用,证明了金属SP增强荧光发射机制的可靠性。


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