电注入下ZnO激子产生与复合发光机理研究

宽禁带半导体ZnO材料具有室温3.3eV的带隙，处于近紫外区，激子束缚能高达60 meV，光泵浦实验证实其具有激光增益高的优异特性，使得其成为低阈值近紫外激光器的热点研究材料。但由于目前p型ZnO的掺杂还存在很多困难，研究电注入下ZnO激子相关的发光过程研究较少。本项目创新提出利用成熟的GaN体系做为电子、空穴载流子注入层，引入载流子限制层，使得空穴与电子有效注入ZnO层中实现电注入下发光。在此过程中，主要研究异质结构-特别是GaN在ZnO材料上的生长特性，引入载流子限制层，研究载流子输运过程，特别研究电注入ZnO激子产生与复合过程。该项目的开展将对ZnO基高效发光、激光器件的研制奠定理论与实验基础。

在三年的项目执行期间，我们攻克了很多难题。在设备上，我们改造了自行设计加工的ZnO-MOCVD设备，增加了固态铜有机源，改造反应室压强控制系统等硬件条件，提高了ZnO的薄膜质量并且能够进行铜掺杂；. 在c-面蓝宝石衬底上制备了Ga掺杂ZnO薄膜，在其室温光致发光谱中发现了和未故意掺杂ZnO薄膜迥异的深能级发光。结合样品的电学性质和光学带隙的变化，我们推断由于Ga的掺入，ZnO薄膜中的本征缺陷已经发生了变化，而Ga掺杂ZnO薄膜室温光致发光谱中的深能级发光峰可能与受主补偿缺陷有关。. 采用Cu-Ga共掺的方法制备了p-型导电的ZnO薄膜，并通过优化生长工艺，得到的共掺薄膜的电阻为0.2499 Ω•cm，迁移率为13.3 cm2 V-1 s-1，载流子浓度为1.874×1018 cm-3。并采用这一参数在ZnO单晶衬底上沉积了Cu-Ga共掺ZnO薄膜制备了ZnO基同质结器件，此器件在正向电流注入下得到了近带边室温电致发光，并成功采集到了电致发光光谱。这个工作表明Cu-Ga共掺的方法可用于制备p-型导电ZnO，为制备p-型导电ZnO提供了一个新的路径，可能会推动ZnO基同质结器件和ZnO基p-型透明导电薄膜的研究。. 制备了n-ZnO/SiO2/p-GaN异质结器件，分别从ZnO侧和GaN侧测试了室温电致发光谱，却得到了不同的发光谱。在GaN侧发光峰在约391.3 nm处，而在ZnO侧测试到的发光峰是由三个发光峰组成（372nm, 380 nm和390 nm）。. 制备了n-ZnO/Ga2O3/p-GaN异质结器件，与n-ZnO/p-GaN异质结器件比较发现，由于Ga2O3层的加入，紫外的发光峰显著增强，实现了ZnO激子相关发光。.制备出极化诱导的n-ZnO/graded-p-AlxGa1-xN/p-GaN异质结。通过这些结果我们可以得出，极化诱导的电子阻挡层能够有效的阻挡电子和降低由能带弯曲和价带带阶ΔEvAlGaN/GaN引起的空穴阻挡，从而诱导主要的复合发光在ZnO中发生，实现了激子发光，很好的完成了项目预期任务。