氧化鋅(ZnO)是一種具有60meV激子結(jié)合能的直接寬禁帶半導(dǎo)體材料,其帶邊發(fā)射為3.37eV,因?yàn)槠涫覝叵录ぷ涌梢苑€(wěn)定存在,并且激子相關(guān)的發(fā)光效率在理論上比普通的電子空穴等離子效率高,多年來一直作為一種新型高效率發(fā)光材料而被廣泛關(guān)注,而氧化鋅的納米結(jié)構(gòu):納米線、量子點(diǎn)、納米管等易于合成,其相關(guān)的發(fā)光器件也被大量研究,尤其是納米線基發(fā)光器件取得了大量的新進(jìn)展。
但是ZnO納米線發(fā)光器件距離應(yīng)用還面臨著諸多問題,本文基于這些問題展開了研究,取得的主要結(jié)果如下:(1) p-n結(jié)器件是實(shí)現(xiàn)高效氧化鋅發(fā)光器件的最優(yōu)選擇,但是長久以來,困擾p-n結(jié)器件的最大問題就是同時具備高空穴濃度,高遷移率的p型氧化鋅一直沒有研制成功。基于此問題,通過采用MIS結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了高結(jié)晶質(zhì)量的納米線陣列的高強(qiáng)度(3.7w)發(fā)光二極管,研究結(jié)果證明了c軸取向性一致的氧化鋅納米線可以替代薄膜實(shí)現(xiàn)高效的發(fā)光器件。(2)高結(jié)晶質(zhì)量的氧化鋅材料是實(shí)現(xiàn)高效氧化鋅發(fā)光器件的基礎(chǔ),但是難于獲得。對于氧化鋅薄膜材料來說,由于與傳統(tǒng)襯底(藍(lán)寶石,硅)的晶格失配較大,很難形成單晶薄膜,而氧化鋅單晶襯底的造價過于昂貴,無法在應(yīng)用中廣泛使用。這些都為高結(jié)晶質(zhì)量的氧化鋅材料的制備造成了困難。基于此問題,通過優(yōu)化MOCVD的生長工藝,制備了高結(jié)晶質(zhì)量的氧化鋅單晶納米線陣列,其c軸取向性一致,可以取代薄膜作為高效發(fā)光材料,在高質(zhì)量的氧化鋅納米線的基礎(chǔ)上制備了Au/MgO/ZnO的異質(zhì)結(jié),實(shí)現(xiàn)氧化鋅納米線的電泵浦隨機(jī)激光現(xiàn)象。(3)高效的氧化鋅的帶邊發(fā)射是實(shí)現(xiàn)高效自由激子相關(guān)的基礎(chǔ),但是缺陷相關(guān)的發(fā)光多數(shù)占主導(dǎo),這導(dǎo)致了器件的禁帶發(fā)光較弱,器件的壽命較短?;诖藛栴},通過利用能帶工程,利用氧鋅鎂和氧化鋅異質(zhì)結(jié)對載流子輸運(yùn)的限制,獲得了完全由氧化鋅帶邊發(fā)射為主體的發(fā)光器件,在有效的抑制了缺陷相關(guān)的發(fā)光同時,實(shí)現(xiàn)了長壽命(20多小時),純紫外發(fā)光二極管。這證明了氧鋅鎂與氧化鋅異質(zhì)結(jié)器件的載流子限制優(yōu)勢,為實(shí)現(xiàn)高效的氧化鋅帶邊發(fā)射提供了借鑒。