硅基ZnO薄膜发光器件的电抽运随机激射

随机激射在光显示、光电集成、光通讯乃至照明等领域有诱人的应用前景，一旦在实用化方面有所突破，将形成新型的发光器件。申请人在国际上首次实现了硅基ZnO薄膜电抽运随机激射，本项目在此基础上开展研究工作。项目将从调控随机激射的两个必要因素（光散射和光增益）的角度考虑，首先从能带工程的角度出发，设计具有合理能带结构的基于ZnO薄膜的发光器件，使之在尽可能小的注入电流下即可产生光增益；其次从调控光散射能力的角度出发，通过引入第二相粒子和表面织构化等手段来增强ZnO薄膜的光散射能力，从而达到降低随机激射阈值电流和增强光输出的目的。此外，通过优化硅基ZnO薄膜发光器件中势垒层（SiOx和MgxZn1-xO等薄膜）的组分和厚度以及引入空穴注入层，使载流子的输运更有利于器件的电抽运随机激射，获得更大的电光转化效率。在此基础上，项目还提出将发光单元级联化，利用发光单元间的协同增强效应，达到增强随机激射的目的。

ZnO具有较高的激子束缚能（约60 meV）和折射率，与之相关的无序介质具有增益高和多重散射作用强的特点，因此被认为是实现随机激射的理想材料。本项目利用金属-绝缘体-半导体（MIS）结构实现了ZnO电抽运随机激射，通过ZnO薄膜的材料改性和器件结构的改进等手段，增强了硅基ZnO薄膜发光器件的电抽运随机激射性能，并阐明了相关的物理机制。本项目取得的主要创新成果如下：（1）以掺入Zn2TiO4纳米颗粒的ZnO薄膜和表面织构化的ZnO薄膜为发光层的MIS器件均具有更低的随机激射阈值电流和更大的光输出功率。(2）研究了ZnO薄膜厚度对MIS器件随机激射性能的影响，发现当ZnO薄膜厚度在50 nm以下时，随着ZnO薄膜厚度的增加，器件的随机激射阈值电流升高。从光多重散射和光增益受ZnO薄膜厚度影响的角度对上述现象进行了解释。（3） 研究了双重SiO2/ZnO结构器件的电抽运随机激射。研究发现：双重SiO2/ZnO结构器件比单重SiO2/ZnO结构器件的随机激射阈值电流更低，而且功率转换效率更高。（4）与以溅射法制备的ZnO薄膜为发光层的MIS器件相比，以水热法制备的小晶粒ZnO薄膜为发光层的MIS器件表现出更低的电抽运随机激射阈值电流，且在相同的电流下输出更大的光功率。（5）利用低温水热法制备了晶粒尺寸约为700 nm的大晶粒ZnO薄膜，以未经热处理的大晶粒ZnO薄膜为发光层的MIS器件比以溅射法制备的ZnO薄膜为发光层的MIS器件具有更低的电抽运随机激射阈值电流，但上述大晶粒ZnO薄膜一旦经过后续热处理，相应器件的电抽运随机激射的阈值电流反而增大了近10倍。（6）研究了具有高功函数的MoO3薄膜作为空穴注入层对基于ZnO薄膜的MIS器件的电抽运随机激射性能的影响。研究发现：在ZnO和SiO2绝缘层间引入厚度为5nm的MoO3薄膜时，MIS器件的电抽运随机激射的开启电压可降低至2.6 V，而且输出光功率提高了数倍。（7）研究了MgO绝缘层的厚度和热处理温度对基于ZnO薄膜的MIS器件的电抽运随机激射性能的影响。研究发现：以经700℃热处理、30 nm厚的MgO薄膜为绝缘层的MIS器件在电抽运随机激射性能最好。（8）在MgO和Au电极之间插入5nm厚的MoO3薄膜，可使器件的电抽运随随机激射阈值电流显著下降。