MOCVD法制备实用p型ZnO及发光应用的基础研究

在节能减排的国家重大战略背景下，ZnO有望成为新型半导体白光照明芯片材料。要研制实用的ZnO-LED，需重点解决：优质p型ZnO及其稳定性；ZnO-LED发光的高效性；LED制备工艺的工业化等关键问题。本项目将以MOCVD法制备Na掺杂p型ZnO单晶薄膜为核心内容，进一步研究p型掺杂的高效性和稳定性；研究MOCVD及其掺杂工艺，实现高质量同质外延和多量子阱生长； LED结构设计与器件工艺研究，提高外量子效率。为新型半导体白光照明进行前沿研究。

首创一种可用于MOCVD系统中对ZnO进行Na掺杂的MO源（环戊二烯基钠），获美国发明专利US8722456B2。本项目研究发现Na掺杂使费米能级移向价带顶，并且补偿了靠近导带的施主型能级，使ZnO:Na薄膜呈现p型导电；此外，Na掺杂可提高ZnO薄膜的发光内量子效率。采用第一性原理理论计算研究了Na与氧空位（Vo）的作用机理。Na与Vo同时存在时，形成Na-Vo复合体会增加体系稳定性。首次发现空位缺陷依次俘获载流子的新行为：氧空位优先俘获光生载流子并产生发光；当氧空位被填满之后，锌空位才俘获光生载流子并产生发光。在ZnO中首次发现同一种杂质Na存在2个能级，分别为160 meV和300 meV。揭示了Na受主失活过程及Na掺杂极性调控特性：Na存在从替代位向间隙位转变的动力学过程；自发极化效应使非极性取向的ZnMgO:Na薄膜VBM上移导致受主能级变浅、CBM上移导致施主能级变深使得非极性取向更容易实现p型。制备出优质ZnO、ZnMgO单晶薄膜和ZnO/ZnMgO多量子阱结构，并率先开展ZnO同质外延，生长出优质ZnO、ZnMgO外延层，为高效发光器件奠定基础。发明Na、Mg共掺技术，通过局域应变调控制备出p型ZnMgO薄膜，并实现室温电致发光。