微纳图形化硅基ZnO纳米异质结构的电致发光研究

以高压气相腐蚀技术制备出的一类具有微/纳米层次结构且电致发光可调的纳米硅（多孔硅柱阵列，NSPA)为衬底，本项目拟进行硅基ZnO纳米异质结构阵列的大面积可控制备、电光特性和器件化应用探索等方面的研究。目标是采用高温气相传输生长和低温溶液化学生长两种技术实现ZnO纳米晶在NSPA上的选择生长并进行电致发光研究，重点在于从理论上阐明异质结构中载流子输运、整流效应、电致发光等物性的内禀机制，系统地建立其物性与生长条件、微结构之间的定性或指向性关联关系，寻找出获得高电致发光效率且性能稳定的最优条件。进而结合传统的硅平面工艺和现代的纳米器件工艺，设计实现发光颜色可控、高发光效率、可调注入电流下高输出功率的ZnO/NSPA发光器件，并为其在无需荧光粉的单芯片发光二极管器件方面的应用奠定基础。本项目为进一步实现高效硅基光电集成提供了一种新思路，在半导体固体照明和显示器件等领域具有重要科学意义和应用价值。

本课题以具有强光致/电致发光，发光峰位通过退火可控的P型多孔硅柱状列（NSPA）硅片为衬底，采用高温物理/化学气相沉积（PVD/CVD）和低温溶液化学生长（ACG）两种方法制备出大面积、微结构可控的ZnO/NSPA纳米异质结阵列体系，并阐明其光致发光/电致发光、载流子输运、整流效应等物性的内禀机制。建立了上述物理性能与制备条件、体系微结构之间的定性或指向性关联关系，同时设计出高发光效率、可调注入电流下高输出功率的ZnO/NSPA单芯片发光器件。相关研究成果为实现无需荧光粉的单芯片白光发光器件奠定了基础。主要研究成果如下：.（1）发展出一种在高压蒸汽环境中、水热腐蚀技术制备具有强光致/电致发光性能的纳米多孔硅（纳米多孔硅柱状列，NSPA）的新方法。相比已报道的纳米多孔硅材料，该技术制备得到的NSPA不仅易于实现大面积可控生长，同时其发光强度相较于其他种类多孔硅平均提高2个量级且发光性能稳定好。该技术已申请国家发明专利1项。.（2）制备出微结构可控、具有开启电压低、电流密度大、漏电流密度小、反向击穿电压和整流率高等优异整流特性的ZnO/PSPA纳米异质结阵列体系，并建立了相关结构的电子传输能带模型；.（3）系统建立出制备条件对ZnO/PSPA光致/电致发光特性的影响规律，实现了红、绿、蓝三基色发光，并通过对发光峰位和强度的调制获得了白光发光，建立起其发光机制模型；.（4）初步实现ZnO/PSPA单芯片白光发光二极管原型器件，其开启电压仅2.6 V，在常规的注入电流下（35mA－70mA）其白光的显色指数几乎不变，发光效率达到47 lm/W；.（5）通过掺杂技术，得到了掺杂铕离子、锰离子的ZnO/PSPA，利用离子本身的发光特性及其掺杂引起的缺陷发光特性调控得到了更宽发光光谱的发光芯片；.（6）拓宽原有思路, 实现了一类新型的、基于无机纳米线阵列的“P3HT/ZnO纳米线/NSPA”有机无机复合太阳能电池原型结构，转换效率达到了4.28 %，达到了国际上同类型器件的较高效率标准；.（7）通过本项目实施，发表SCI论文11篇（不含已接收发表的1篇），申请国家发明专利8项、授权4项，1项科研成果荣获中国石油和化工协会的“技术发明一等奖”，参加国内学术会议12人次，在全国物理学会秋季会议上做学术报告4人次。