立方相氧化锌基深紫外发光器件研究

宽禁带半导体基深紫外（波长小于300 nm）发光器件在诸多方面有重要应用前景，而实现载流子的有效产生对深紫外波段的大禁带宽度半导体来说是一个普遍难题和关键问题。针对以上难题，本项目利用立方结构因各向同性而易于得到低缺陷密度薄膜的特点，以立方相氧镁锌薄膜为发光层，设计并构建了MgO/立方MgZnO/MgxZn1-xO组分渐变层/n-ZnO结构。该结构中，利用较高电场下介电层中会通过碰撞离化方式产生空穴的物理思想使空穴在MgO中产生并注入到立方MgZnO中；同时以n-ZnO为电子源，设计了MgxZn1-xO组分渐变层作为桥梁，使n-ZnO中的高浓度电子可以沿着该"桥梁"注入到立方MgZnO中。总之，本项目通过结构设计解决了电子和空穴的有效产生以及向立方MgZnO的有效注入这一关键问题，有望在立方MgZnO中实现深紫外电致发光器件，从而为实现高性能宽禁带半导体基深紫外发光器件开辟新的途径。

工作于深紫外波段（波长小于300 nm）的发光器件在精细加工、生化检测、食品消毒、水源净化、保密通讯等领域有重要的潜在应用。氧化锌与氧化镁形成的氧镁锌（MgZnO）合金的禁带宽度可以从3.37 eV调节到7.7 eV，理论上可以实现工作波长覆盖从160 nm到370 nm深紫外波段的光电器件。另外，氧化锌基材料较大的激子结合能也有助于实现激子型高效发光器件，因此MgZnO是实现高性能深紫外发光器件的理想候选材料之一。但是，本项目立项之初，还没有MgZnO基深紫外发光器件的报道。主要原因在于由于ZnO和MgO具有不同的稳定结构，要实现高质量的MgZnO薄膜面临挑战，这严重阻碍了氧镁锌基深紫外发光器件的实现。另外，要在禁带宽度大于4.2 eV(对应波长小于300 nm)的半导体中实现深紫外发光器件，如何合理的设计器件结构以实现载流子的有效产生、注入或分离也是一个普遍的难题。针对以上难题，本项目中我们首先通过常规掺杂方法获得了室温下激子发光为主的ZnO基发光二极管，且首次报道了可持续工作的ZnO基发光器件，最长可持续工作已达97小时，是已报道的ZnO基发光器件的最长持续工作时间。并采用空穴注入层方法实现了输出功率达到18.5微瓦的ZnO基发光器件，是已报道的ZnO基发光器件的最佳结果之一。并在MgZnO p-n结中观察到了位于355 nm的电致发光，据知这是已报道的ZnO p-n结电致发光的最短波长。我们还利用利用绝缘层中碰撞离化产生空穴，并将该空穴与MgZnO中的电子复合发光，实现了330 nm的短波长电致发光，以及峰值波长位于276 nm的深紫外发光器件。还利用等离子体加速的带电基团作为激发源实现了输出功率达56微瓦的MgZnO基深紫外发光。总之，本项目的研究工作圆满完成了项目预定的研究任务，为氧化锌基深紫外发光器件的实现开辟新的可能途径。