電注入下ZnO激子產生與複合發光機理研究

《電注入下ZnO激子產生與複合發光機理研究》是依託大連理工大學,由梁紅偉擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：電注入下ZnO激子產生與複合發光機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：梁紅偉

項目摘要

寬禁帶半導體ZnO材料具有室溫3.3eV的帶隙，處於近紫外區，激子束縛能高達60 meV，光泵浦實驗證實其具有雷射增益高的優異特性，使得其成為低閾值近紫外雷射器的熱點研究材料。但由於目前p型ZnO的摻雜還存在很多困難，研究電注入下ZnO激子相關的發光過程研究較少。本項目創新提出利用成熟的GaN體系做為電子、空穴載流子注入層，引入載流子限制層，使得空穴與電子有效注入ZnO層中實現電注入下發光。在此過程中，主要研究異質結構-特別是GaN在ZnO材料上的生長特性，引入載流子限制層，研究載流子輸運過程，特別研究電注入ZnO激子產生與複合過程。該項目的開展將對ZnO基高效發光、雷射器件的研製奠定理論與實驗基礎。

結題摘要

在三年的項目執行期間，我們攻克了很多難題。在設備上，我們改造了自行設計加工的ZnO-MOCVD設備，增加了固態銅有機源，改造反應室壓強控制系統等硬體條件，提高了ZnO的薄膜質量並且能夠進行銅摻雜；在c-面藍寶石襯底上製備了Ga摻雜ZnO薄膜，在其室溫光致發光譜中發現了和未故意摻雜ZnO薄膜迥異的深能級發光。結合樣品的電學性質和光學帶隙的變化，我們推斷由於Ga的摻入，ZnO薄膜中的本徵缺陷已經發生了變化，而Ga摻雜ZnO薄膜室溫光致發光譜中的深能級發光峰可能與受主補償缺陷有關。採用Cu-Ga共摻的方法製備了p-型導電的ZnO薄膜，並通過最佳化生長工藝，得到的共摻薄膜的電阻為0.2499 Ω•cm，遷移率為13.3 cm2 V-1 s-1，載流子濃度為1.874×1018 cm-3。並採用這一參數在ZnO單晶襯底上沉積了Cu-Ga共摻ZnO薄膜製備了ZnO基同質結器件，此器件在正向電流注入下得到了近帶邊室溫電致發光，並成功採集到了電致發光光譜。這個工作表明Cu-Ga共摻的方法可用於製備p-型導電ZnO，為製備p-型導電ZnO提供了一個新的路徑，可能會推動ZnO基同質結器件和ZnO基p-型透明導電薄膜的研究。 製備了n-ZnO/SiO2/p-GaN異質結器件，分別從ZnO側和GaN側測試了室溫電致發光譜，卻得到了不同的發光譜。在GaN側發光峰在約391.3 nm處，而在ZnO側測試到的發光峰是由三個發光峰組成（372nm, 380 nm和390 nm）。 製備了n-ZnO/Ga2O3/p-GaN異質結器件，與n-ZnO/p-GaN異質結器件比較發現，由於Ga2O3層的加入，紫外的發光峰顯著增強，實現了ZnO激子相關發光。 製備出極化誘導的n-ZnO/graded-p-AlxGa1-xN/p-GaN異質結。通過這些結果我們可以得出，極化誘導的電子阻擋層能夠有效的阻擋電子和降低由能帶彎曲和價帶帶階ΔEvAlGaN/GaN引起的空穴阻擋，從而誘導主要的複合發光在ZnO中發生，實現了激子發光，很好的完成了項目預期任務。