高性能氧化锌基发光器件研究

氧化锌（ZnO）是一种具有60meV激子结合能的直接宽禁带半导体材料，其带边发射为3.37eV，因为其室温下激子可以稳定存在，并且激子相关的发光效率在理论上比普通的电子空穴等离子效率高，多年来一直作为一种新型高效率发光材料而被广泛关注，而氧化锌的纳米结构：纳米线、量子点、纳米管等易于合成，其相关的发光器件也被大量研究，尤其是纳米线基发光器件取得了大量的新进展。
但是ZnO纳米线发光器件距离应用还面临着诸多问题，基于这些问题展开了研究，取得的主要结果如下：（1） p-n结器件是实现高效氧化锌发光器件的最优选择，但是长久以来，困扰p-n结器件的最大问题就是同时具备高空穴浓度，高迁移率的p型氧化锌一直没有研制成功。基于此问题，通过采用MIS结构，实现了高结晶质量的纳米线阵列的高强度（3.7w）发光二极管，研究结果证明了c轴取向性一致的氧化锌纳米线可以替代薄膜实现高效的发光器件。（2）高结晶质量的氧化锌材料是实现高效氧化锌发光器件的基础，但是难于获得。对于氧化锌薄膜材料来说，由于与传统衬底（蓝宝石，硅）的晶格失配较大，很难形成单晶薄膜，而氧化锌单晶衬底的造价过于昂贵，无法在应用中广泛使用。这些都为高结晶质量的氧化锌材料的制备造成了困难。基于此问题，通过优化MOCVD的生长工艺，制备了高结晶质量的氧化锌单晶纳米线阵列，其c轴取向性一致，可以取代薄膜作为高效发光材料，在高质量的氧化锌纳米线的基础上制备了Au/MgO/ZnO的异质结，实现氧化锌纳米线的电泵浦随机激光现象。（3）高效的氧化锌的带边发射是实现高效自由激子相关的基础，但是缺陷相关的发光多数占主导，这导致了器件的禁带发光较弱，器件的寿命较短。基于此问题，通过利用能带工程，利用氧锌镁和氧化锌异质结对载流子输运的限制，获得了完全由氧化锌带边发射为主体的发光器件，在有效的抑制了缺陷相关的发光同时，实现了长寿命（20多小时），纯紫外发光二极管。这证明了氧锌镁与氧化锌异质结器件的载流子限制优势，为实现高效的氧化锌带边发射提供了借鉴。
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