基于p-GaN/i-MgO/n-MgxZn1-xO异质结构波长可调的紫外光发射器件研究

本课题拟采用等离子体辅助脉冲激光沉积技术在p-GaN (0001)面上外延生长<111>取向的超薄MgO层，利用MgO (111)面与MgZnO (0001)面的晶格匹配性，在MgO上外延生长组分可控、单相、高质量MgZnO合金薄膜，构建p-GaN/i-MgO/n-MgZnO异质结光发射器件；实现基于MgZnO有源层波长可调的紫外电注入发光和激射器件。引入<111> i-MgO层是课题的重要创新之一，它既作为电子势垒层，将载流子的辐射复合限域在MgZnO层中；又是在p-GaN (0001)衬底上生长高质量<0001> n-MgZnO外延薄膜的缓冲层，从而有效抑制异质结界面处高密度缺陷的产生，降低无辐射复合中心，提高器件的发光效率。.本工作有助于解决由于缺少高质量p型ZnO而难于获得ZnO同质结强紫外发射的困难，并将器件发射向更短波段推进，是光电子信息领域的前沿课题。

紫外光发射器件在高密度信息存储、微电子加工、照明与显示领域有广阔应用前景。ZnO基材料因其激子束缚能高、易于在室温下获得低阈值激子发射，而成为发展紫外光发射器件的重要材料体系之一。但是，稳定、可靠、可控的p型掺杂技术目前依然不成熟，严重制约了同质结器件的发展。在这种情况下，发展ZnO基异质结光发射器件成为理想选择之一。本项目正是围绕这一主题开展了如下几方面研究工作：（1）以ZnO、MgZnO为有源层，设计并制备了P-N异质结和M-I-S异质结紫外发光/激光二极管原型器件；利用MgZnO合金的带隙工程，实现了发射波长的调制。（2）针对异质结界面势垒影响载流子注入效率的问题，通过在器件中引入Ag纳米粒子局域表面等离激元，以及采用单晶ZnO纳米线作为有源层的方法，提高了器件紫外发射效率。（3）针对纳米ZnO光发射器件易受表面态影响的难题，研究了空气条件下表面吸附对ZnO纳米线器件紫外光发射效率和稳定性的影响，发展了MgZnO外延包覆方法改善了器件性能。（4）制备了不同取向的、全立方相MgZnO/MgO应变多量子阱结构，利用压应力效应将发射波长推向深紫外区。