ZnO基新型异质结发光器件设计、制备及其应用研究

利用激光脉冲沉积（PLD）和磁控溅射等技术，在p型GaN衬底上制备n型ZnO材料，开展晶体形貌、结晶完整性、电极制备等方面的研究，研制出ZnO基异质pn结发光器件；开展ZnO异质结构发光器件中发光特性研究，揭示不同载流子注入对发光机理的影响，实现异质pn结器件室温下高效的电致发光；通过在异质pn结中引入限制层(I)，利用能带工程理论控制、调节载流子在不同功能层的传输和复合，实现来自ZnO层的强的紫外电致发光；通过控制生长条件以及掺杂方法设计制备绿色、红色的有源层，研究I层组份、厚度以及电流密度等对多层有源层发光的影响，优化设计结构，在ZnO异质pn结上获得全彩色电致发光，并探索实现新型的注入型白光器件的可能性。该项目提出了制备全彩色半导体发光器件的新方法，对于开发我国具有自主知识产权的新产品、新技术，研制高效、低成本的半导体照明光源及发展相关的产业具有积极的推动作用。

本项目提出了制备半导体白光发光器件(LED)的新方法，在p型GaN衬底上制备n型ZnO材料，构建异质pn结器件；通过在异质pn结中引入功能层，利用能带工程理论控制、调节载流子在不同功能层的传输和复合，实现不同颜色的电致发光，从而合成获得白光。. 利用等离子辅助分子束外延、激光脉冲沉积和磁控溅射等技术，开展了在p型GaN衬底上异质外延ZnO基功能层的制备研究，并通过生长动力学、晶体形貌、结晶完整性等方面的研究，探讨生长机理；开展了不同生长条件下制备的ZnO薄膜发光性能的研究，对本征ZnO薄膜中的近带边缘发光进行了指证，室温下ZnO薄膜近带边紫外发光归结为自由激子和自由电子-受主两种复合跃迁的贡献，通过对光谱的拟合得出其受主能级约为129meV，并将其归结为与Zn空位有关的受主态。而室温下可见发光的研究表明，ZnO绿色发光带(~530nm) 和黄色发光带(~560nm)分别与氧空位和氧间隙缺陷有关。研究了缺陷对未掺杂ZnO薄膜的电学参数影响，通过改变生长条件获得了电阻率在 范围内变化。开展了p-GaN电极工艺的研究，利用Ni/Au合金实现了良好的欧姆接触，在此基础上研制n-ZnO/p-GaN异质pn结发光器件，在室温下观测到了来自p-GaN层的电致发光。研究异质结构中能带失配对载流子注入、传输和复合的影响，利用引入绝缘介质层改善电子、空穴在p区和n区的注入和复合几率，在室温下实现了来自ZnO层的电致发光。进一步利用能带工程优化设计结构，利用ZnMgO双层结构构建的异质结发光器件，由于双异质结结构能够阻挡ZnO的电子进入GaN中，提高了载流子的复合效率，从而实现了ZnO异质结的室温电致激子发光。实验表明，室温下电致发光光谱可以观测到来自不同功能层的多峰结构，通过调节绝缘层厚度、组份，可以实现对不同功能层发光的强度控制，从而在该结构上实现了白光发射。. 总之，通过优化设计结构，在ZnO异质pn结上获得白光LED，该项研究成果属于新型的注入型白光器件，对于开发我国具有自主知识产权的新产品、新技术，研制高效、低成本的半导体照明光源及发展相关的产业具有积极的推动作用。