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Ag纳米颗粒修饰的ZnCdO薄膜及其异质结器件的发光性能研究

程熹  
【摘要】:ZnO是一种透明氧化物半导体材料,室温下的禁带宽度为3.37eV。通过向ZnO中掺入Cd元素得到ZnCdO合金,可以有效减小ZnO的禁带宽度,从而调节ZnO的光致发光从紫外至绿光波段。然而,由于p型ZnO制备困难,人们通常选择用p型GaN来代替p型ZnO制备ZnO基异质结发光器件。又由于p-GaN中载流子浓度和迁移率不高,制备的n-ZnO/p-GaN异质结器件的发光主要发生在p-GaN一侧。为了解决n-ZnCdO/p-GaN异质结器件中n-ZnCdO一侧发光弱的问题并提高器件的发光效率,本论文主要从两方面入手:在n-ZnCdO/p-GaN异质结中插入MgO高阻层来实现n-ZnCdO一侧载流子复合发光;加入Ag纳米颗粒来提高异质结器件的发光效率。论文主要研究内容如下:(1)在蓝宝石衬底上采用真空热蒸发法蒸镀Ag薄膜,并通过高温真空退火工艺制备了Ag纳米颗粒。通过改变Ag薄膜厚度和退火时间来获得对Ag纳米颗粒不同形貌的调控,结果发现在真空300℃下退火45min时能获得圆对称性较好的Ag纳米颗粒,且随着Ag薄膜厚度增加,所形成的Ag纳米颗粒消光谱中偶极子共振峰逐渐红移,同时半高宽展宽。(2)采用PLD法、利用Zn_(0.8)Cd_(0.2)O的陶瓷靶作为源材料,在300℃温度下、通过改变氧气压强,在c-Al_2O_3衬底上制备了ZnCdO合金薄膜,随着氧压增加发现薄膜中的Cd组分也随之增加,室温光致发光(PL)光谱中ZnCdO的发光峰由紫外逐渐红移至~495nm处的绿光发射。当Ag纳米颗粒的偶极子共振峰与ZnCdO的PL发光峰位相匹配时,可以获得Ag局域表面等离子体增强(约3倍)ZnCdO薄膜发光的结果。(3)利用PLD法、在p-GaN衬底上制备n-ZnCdO薄膜,尽管高分辨透射电子显微镜显示获得了良好的异质结界面,但构建的n-ZnCdO/p-GaN异质结器件的发光效率仍然较低,而且主要来自p-GaN层发光;通过在n-ZnCdO/p-GaN异质结中插入MgO限制层构成n-ZnCdO/MgO/p-GaN异质结器件,利用MgO层能有效阻挡电子由n-ZnCdO向p-GaN的扩散,器件可以得到来自n-ZnCdO一侧较强的发光,通过生长工艺调节实现了ZnCdO从紫色到绿色不同波段的电致发光;研究了MgO限制层厚度对器件发光性能的影响,发现适当的MgO厚度(20 nm)才能有效的限制ZnCdO中的电子向p-GaN中的扩散,但当厚度较厚(83nm)时器件不能实现载流子的注入,发光转变成由于高场引起的界面缺陷发光。(4)研究了原位退火对Ag纳米颗粒的形貌及消光光谱的影响,获得了Ag局域表面等离子体引起的ZnCdO薄膜发光增强的工艺,利用该工艺条件得到的Ag纳米颗粒,设计、制备了n-ZnCdO/Ag NPs/MgO/p-GaN异质结发光器件,相比于修饰前的器件得到了明显的电致发光增强的效果,这说明Ag局域表面等离子体可以加快载流子复合过程,提高辐射复合速率,从而提高异质结器件的发光效率。


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