LED器件用Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱的界面能带结构和内电场效应研究

本项目针对ZnO-LED器件中Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构这一重要课题，致力于解决从材料结构生长到研究量子阱的一系列重要的科学问题。首先，强调将Zn1-xMgxO/ZnO MQWs的结构设计、组份调节与生长工艺过程的实验优化相结合，实现符合器件要求的多量子阱周期结构的可控生长；深入研究各种界面的能带结构，揭示载流子传输和复合的物理过程，为在后续器件研制中实现界面能带匹配，实现有效的载流子注入提供理论依据和技术参数。在极性生长（沿c轴）的异质结构中，因自发极化和压电极化引起的内电场会对激子发光产生负面影响，通过调节结构参数，研究量子阱中的各种量子效应的作用机制。为抑制内电场效应，本项目提出通过借助于离子注入、直接制备梯度薄膜结构，优化量子阱界面结构，提高激子发光效率；二是研究非极性薄膜量子阱结构，消除自发极化的影响，提高光学增益。本项目的完成，将为Zn-LED的应用打下坚实基础。

研工作全面展开并按计划进行，在多方面取得了一定的进展。根据研究计划，我们采用MBE生长方法，在蓝宝石以及Si基衬底表面上，采用多种缓冲层技术、高低温生长技术相结合，制备了多种周期结构、不同阱层厚度、不同Mg组分的Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构，对其结构和性能进行了系统研究。首先，通过对比分析，揭示了极性多量子阱中量子约束Stark效应(QCSE)的作用范围；其次，深入研究了多量子阱中载流子的局域、驰豫、传输、复合等机理，阐明了多种激子发射的来源、机制及其能级与量子阱参数之间的内在联系；再次，实验测定了多种异质结界面能带结构，研究了组分变化对其带阶移动的影响规律，从而为实现界面能带匹配提供了理论依据。最后，制备了多种非极性Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构，在没有内电场效应的影响下，对比研究了其界面能带结构和发光行为; 其带阶变化明显不同，发光性能和量子限域效应都获得了很大的提高；此外，还拓展开展了在非晶表面利用共掺杂效应，实现对ZnO基材料的生长取向和性能调控研究。这些工作促进了ZnO基材料在光电领域的应用并部分拓展了ZnO材料的研究方向。