单根氧化锌微米线基异质结发光二极管研究

发布时间：2020-04-05 11:38

【摘要】：紫外光源(发光二极管(LED)和激光二极管(LD)等)在水和空气净化、生物医学消毒、光刻等领域有重要的潜在应用,引起了研究者们的广泛关注。与气体激光器和汞灯相比,半导体紫外光源具有体积小、质量轻、制作简单和成本低等优点,使其在军事和民用上具有广泛应用。宽禁带半导体,金刚石,III-V氮化物半导体和II-VI族氧化物半导体是潜在的紫外光电的候选者。六角纤锌矿结构氧化锌(ZnO)是II-VI族宽禁带(3.37 eV)的直接带隙半导体材料,它具有高化学稳定性、大光电耦合系数、高的激子结合能(60 meV)以及优良的光学、电学等特性,被广泛应用于光电器件、气敏器件、太阳能电池以及紫外探测等方面。此外,与其他微纳结构晶体相比,ZnO半导体材料具有结晶质量高、易于制备、原材料丰富,安全环保等特点,是制造高效稳定紫外微纳光电器件潜在的应用材料。但是ZnO半导体材料仍然存在着载流子传输效率低、表面缺陷难于调控、金属半导体接触诱导焦耳热耗散、异质结器件发光效率偏低以及紫外波段波长难以调谐等问题。因此,针对以上问题,本论文围绕可控性Ga掺杂ZnO微米线的生长,及ZnO:Ga微米线的发光、异质结紫外发光二极管器件的设计和制备开展了研究工作,并取得了如下创新性研究成果做:1.利用气相传输法可控性的生长了不同Ga掺杂浓度的ZnO:Ga微米线。随着Ga掺杂浓度的增加,单根ZnO微米线呈现出典型的近带边PL发射,发光中心波长从390 nm蓝移至370 nm。说明Ga掺杂元素的引入可以有效可控的调谐ZnO的带隙,实现ZnO近带边PL发射波长的可调谐。2.采用不同Ga掺杂浓度的ZnO微米线构筑n-ZnO:Ga/p-GaN异质结构,获得了以ZnO微米线的近带边发射(FWHM~10 nm)为主导紫外发射。随着Ga掺杂浓度的增加,异质结构紫外波段波长可调谐,辐射范围从384 nm至372 nm。产生这一结果的原因可归于Ga掺杂元的介入引发了莫斯-布尔斯坦效应,抑制了界面处的EL发射,使得ZnO微米线的近带边发射占主导。也进一步证实了ZnO微米线光学带隙工程的可行性以及在波长可调谐紫外光源中的潜在应用价值。3.利用金属纳米颗粒(比如Au、Ag、Al)的局部等离激元衰变诱导产生“热电子”,提高ZnO微米线载流子的再注入,调控ZnO的表面缺陷,进而制备出在可见光波段范围内发光中心波长可调的荧光灯丝光源。也为后续研究高效的发光二极管和激光二极管工作提供良好的技术和理论支持。
【图文】：

表面结合能,生长速率,极性,负离子配位多面体生长基元

Zn-O 键是由 Zn 原子在 3d 轨道上电子和 O 成的共价键，并且两种原子的电负性相差很大，所为在 c 轴方向上是锌和氧原子交替排列的，所以 c 轴组成的(0 001)面和 Zn 离子组成的 (0001) 面是 c 轴方向的极面外，还有等极性面(0 111)和 (1 011)。极性同，因此极性面的生长现象不同。表面结合能低的极快。ZnO 晶体中，拥有最低表面结合能的是在 c 轴 ZnO 晶体沿 c 轴方向的生长速率最快。ZnO 是具有。仲维卓提出了负离子配位多面体生长基元模型，长速率快慢应为：]>V[0 111]>V [ 0111]>V [0 111]>V [ 0001]。所以，丰通过人为调控不同极性面的生长速率得到[25]。

纳米结构,激子

ZnO 材料的优势：(1) ZnO 纳米材料合成简单，并且结构丰富多样。由于六角纤锌矿结构 ZnO沿着不同晶向的生长速率不同很容易获得多种结构的纳米。图1.2为ZnO材料各种纳米结构形貌[23,26]。(2) 现在 ZnO 纳米材料的制备方法也多种多样，，例如分子束外延技术、气相沉积技术、溶胶-凝胶法和水热法等等。详细的制备方法会在第二章简单介绍。(3) ZnO 材料自身拥有光学谐振腔，可以获得多种振荡模式激光发射。图 1.3为 ZnO 纳米材料中三种典型的激光谐振模式及光学显微镜下的发光照片[20-22]。从图中可以发现，三种典型的激光谐振模式都可以在 ZnO 材料中实现。这使得 ZnO 纳米材料在光电子领域的应用前景更加广泛。(4) ZnO 激子结合能高达 60meV，远高于室温热离化能 (26meV) 。这表明在室温或更高温度下的 ZnO 材料中，不但以激子复合为主紫外发光容易实现，高效的与激子相关的受激发射也容易实现[27]。另外，激子结合能大的材料的光学增益也会高于激子结合能小的材料
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN312.8

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