矽基ZnO薄膜發光器件的電抽運隨機激射

《矽基ZnO薄膜發光器件的電抽運隨機激射》是依託浙江大學，由馬向陽擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：矽基ZnO薄膜發光器件的電抽運隨機激射
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：馬向陽
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨機激射在光顯示、光電集成、光通訊乃至照明等領域有誘人的套用前景，一旦在實用化方面有所突破，將形成新型的發光器件。申請人在國際上首次實現了矽基ZnO薄膜電抽運隨機激射，本項目在此基礎上開展研究工作。項目將從調控隨機激射的兩個必要因素（光散射和光增益）的角度考慮，首先從能帶工程的角度出發，設計具有合理能帶結構的基於ZnO薄膜的發光器件，使之在儘可能小的注入電流下即可產生光增益；其次從調控光散射能力的角度出發，通過引入第二相粒子和表面織構化等手段來增強ZnO薄膜的光散射能力，從而達到降低隨機激射閾值電流和增強光輸出的目的。此外，通過最佳化矽基ZnO薄膜發光器件中勢壘層（SiOx和MgxZn1-xO等薄膜）的組分和厚度以及引入空穴注入層，使載流子的輸運更有利於器件的電抽運隨機激射，獲得更大的電光轉化效率。在此基礎上，項目還提出將發光單元級聯化，利用發光單元間的協同增強效應，達到增強隨機激射的目的。

結題摘要

ZnO具有較高的激子束縛能（約60 meV）和折射率，與之相關的無序介質具有增益高和多重散射作用強的特點，因此被認為是實現隨機激射的理想材料。本項目利用金屬-絕緣體-半導體（MIS）結構實現了ZnO電抽運隨機激射，通過ZnO薄膜的材料改性和器件結構的改進等手段，增強了矽基ZnO薄膜發光器件的電抽運隨機激射性能，並闡明了相關的物理機制。本項目取得的主要創新成果如下：（1）以摻入Zn2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜和表面織構化的ZnO薄膜為發光層的MIS器件均具有更低的隨機激射閾值電流和更大的光輸出功率。（2）研究了ZnO薄膜厚度對MIS器件隨機激射性能的影響，發現當ZnO薄膜厚度在50 nm以下時，隨著ZnO薄膜厚度的增加，器件的隨機激射閾值電流升高。從光多重散射和光增益受ZnO薄膜厚度影響的角度對上述現象進行了解釋。（3） 研究了雙重SiO2/ZnO結構器件的電抽運隨機激射。研究發現：雙重SiO2/ZnO結構器件比單重SiO2/ZnO結構器件的隨機激射閾值電流更低，而且功率轉換效率更高。（4）與以濺射法製備的ZnO薄膜為發光層的MIS器件相比，以水熱法製備的小晶粒ZnO薄膜為發光層的MIS器件表現出更低的電抽運隨機激射閾值電流，且在相同的電流下輸出更大的光功率。（5）利用低溫水熱法製備了晶粒尺寸約為700 nm的大晶粒ZnO薄膜，以未經熱處理的大晶粒ZnO薄膜為發光層的MIS器件比以濺射法製備的ZnO薄膜為發光層的MIS器件具有更低的電抽運隨機激射閾值電流，但上述大晶粒ZnO薄膜一旦經過後續熱處理，相應器件的電抽運隨機激射的閾值電流反而增大了近10倍。（6）研究了具有高功函式的MoO3薄膜作為空穴注入層對基於ZnO薄膜的MIS器件的電抽運隨機激射性能的影響。研究發現：在ZnO和SiO2絕緣層間引入厚度為5nm的MoO3薄膜時，MIS器件的電抽運隨機激射的開啟電壓可降低至2.6 V，而且輸出光功率提高了數倍。（7）研究了MgO絕緣層的厚度和熱處理溫度對基於ZnO薄膜的MIS器件的電抽運隨機激射性能的影響。研究發現：以經700℃熱處理、30 nm厚的MgO薄膜為絕緣層的MIS器件在電抽運隨機激射性能最好。（8）在MgO和Au電極之間插入5nm厚的MoO3薄膜，可使器件的電抽運隨隨機激射閾值電流顯著下降。