ZnO基半导体电致发光材料与器件的理论研究

发布时间：2020-07-09 19:14

【摘要】：ZnO是一种新型的直接带隙的宽禁带半导体材料,其室温下的带隙为3.37eV。由于其室温激子束缚能高达60meV,因而有可能在室温条件下实现低阈值电泵浦激子相关的紫外激光。ZnO材料在实现紫外激光方面存在着巨大的潜力,近年来国内外众多研究小组都绕着这一课题开展研究。然而经过十几年来大量人力物力资源的投入,电泵浦ZnO紫外激光器却始终难以实现。这主要是由于获得稳定低阻的p型ZnO薄膜仍然是一个国际性科学难题,是实现ZnO基紫外激光器的最大挑战。为了实现电泵浦ZnO基紫外激光器,我们开展了以下几个方面阶段性的理论研究工作:1.探索了克服本征施主自补偿,提高ZnOp型掺杂效率的新策略。我们通过第一性原理的方法模拟了MBE极性生长N掺杂ZnO的动力学过程,我们发现在Zn极性生长的过程中会形成NZn-VO缺陷。NZn-VO是一种亚稳态的施主复合缺陷,因此在生长过程中不会被ZnO中的本征施主缺陷补偿而保留下来。而NZn-VO在激活后会跃过1.1eV的势垒转化为稳态的受主缺陷NO-VZn。理论计算得到NO-VZn的离化能约为0.16eV,为浅受主缺陷。结合理论计算的结果,我们提出了有利于在实验上提高ZnOp型掺杂效率的几点建议包括:采用Zn极性衬底外延生长、控制Zn源和O源流量平衡、采用NO或NO2替代N2作为掺杂源。为稳定高效的p型ZnO的实现提供了理论依据。2.探索了通过一种新的方式——量子级联的方式来实现电泵浦ZnO基紫外激光器。对于传统的带间跃迁的发光方式来说,目前p型ZnO的掺杂效率很难符合激射要求。因此我们尝试采用一种新型的跃迁的方式——导带子带间跃迁的方式,只采用n型ZnO材料来实现电泵浦紫外激光。但是受一维量子阱的固有属性的限制,传统的一维限制量子级联激光器目前只能工作在远红外中红外区域,这主要是由于在获得更短波长光子出射的时候很难实现粒子数反转。研究发现在传统的一维限制量子级联激光器的基础上增加另一个维度的量子限制,可以人为的构建电子-长光学声子共振散射的通道,通过电子-长光学声子散射缩短低能态发光能级上电子的寿命来实现粒子数反转。利用ZnO/MgO带阶较大(约为3.59eV)的特点,最终在原理上设计出发光波长为λ=2.95μm,1.57μm,1.13μm,734nm的ZnO/MgO基二维限制量子级联激光器。虽然目前还没有实现紫外激光,但我们的工作为短波量子级联激光器的设计,以及ZnO基电泵浦紫外激光的实现提供了新思路。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(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】：2015
【分类号】：TN304
【图文】：

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及立方岩盐矿结构[10-12]如图 1.1 所示。其中六方纤[13-15]，因此在自然条件下 ZnO 普遍为稳态的六方的 ZnO 并不常见，其中立方闪锌矿结构是一种亚稳底上外延的 ZnO 薄膜才有可能是立方闪锌矿结构。[压的条件下存在。目前被普遍研究的是六方纤锌矿

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原子的情况也是如此，如图 1.2 所示。由于 O 的电负性非常强[18]而性又非常弱，使得 O 原子成为负电中心，而 Zn 原子成为了正电中和 O 原子之间存在非常强的极性[19]并且Zn-O 键中既存在共价键成键成分。由于 Zn(O)原子并没有处在 O(Zn)四面体的中心，正负电使 ZnO 延 c 轴方向会产生很强自发极化，极化方向为(0 0 0 1)方向到的 ZnO 极化强度为-0.05C/m2 [20]。另外当有应力作用时 ZnO 中的压电极化，ZnO 的压电系数是所有四面体成键的半导体中第二 AlN)，大约是其他Ⅱ-Ⅵ族化合物的两倍，例如 ZnS,CdS,CdSe。大得 ZnO 在机电耦合方面有很广泛的应用，可以用来制备机械致动器器。非常强的自发极化和压电极化会导致 ZnO 中存很大的内建电

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HSE 算法得到的 ZnO 能带结构图和态密度。(a)能带结构图；（b）总态密度和密度[26][27]子分布、外延生长、表面吸附以及缺陷的形成等众多方面造成巨大的年来越来越多的研究工作围绕着 ZnO 极化问题展开[21-25]。

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