ZnO/GaN基PIN型LED载流子输运、复合特性及发光特性研究

以白光LED为核心的固态照明光源被称为第四代照明光源或绿色光源，是21世纪最具有发展前景的高新技术领域之一。我国的LED产业起步较晚，国内LED产业在市场规模和技术方面都与欧美国家存在着相当大的差距，开展LED应用基础和关键技术研究对推动我国LED产业的快速发展具有十分重要的意义。本项目首先将探明消除薄膜中的裂痕和孔洞、降低因晶格失配等问题引入的界面缺陷的解决方案，选取与ZnO/GaN异质结晶格常数匹配、禁带宽度较大、电子亲和势较小的插入层材料，制备ZnO/插入层/GaN多层结构，系统地研究不同插入材料及参数对ZnO/GaN基PIN型LED的薄膜质量、载流子输运、复合性质及发光特性的影响，探索提高ZnO/GaN基PIN型LED电致发光效率的最佳插入材料及制备参数，建立合理的PN结能带模型，阐释ZnO/GaN基PIN型LED的载流子复合特性及发光特性的机理。

研究工作结合脉冲激光沉积技术（PLD）和水热合成法在p-GaN衬底表面上制备了ZnO薄膜和ZnO纳米棒以及不同的界面阻挡层材料，构造了n-ZnO/p-GaN基异质结LED器件，研究了不同阻挡层材料和ZnO纳米结构对ZnO/GaN基PIN型LED的载流子输运、复合性质及发光特性的影响，利用PN 结能带模型阐释了n-ZnO/p-GaN 基 LED 的载流子复合及发光机制。 .本项目研究取得了如下主要进展： .(1) 高质量ZnO薄膜及ZnO纳米结构的生长及其结构、形貌研究：在不同实验条件下，利用 PLD技术和水热合成法生长了ZnO薄膜和ZnO纳米棒阵列，分别研究了衬底温度、氧气压强和退火温度对 ZnO 薄膜形貌、结构、异质结界面特性及发光特性的影响，以及ZnO薄膜种子层对ZnO纳米棒的结构、取向、界面特性和光电性质的影响，为制备高质量n-ZnO/p-GaN基PIN结LED原型器件奠定了基础。.(2) 为了限制电子从ZnO向GaN的注入实现ZnO的光发射，利用PLD技术制备了不同界面阻挡层的n-ZnO/p-GaN基PIN型异质结LED，研究了不同阻挡层材料对LED器件的载流子输运、复合性质及发光特性的影响。本研究中使用了MgO、AlN、ZnS、Ga2O3及i-ZnO等宽禁带半导体材料作为电子阻挡层，研究了不同的阻挡层对电子和空穴的限制作用，探讨了不同插入层对器件的载流子输运与复合发光性质的不同影响，并分析了载流子复合机制。.(3) 利用水热合成法在p-GaN薄膜表面上制备不同界面结构的ZnO纳米棒阵列，研究ZnO纳米棒的量子限制效应对ZnO纳米棒/p-GaN基LED的电输运性质和发光性质的影响。直接在 p-GaN表面上制备ZnO 纳米棒阵列构造的n-ZnO/p-GaN异质结LED器件在反向电压下表现出较强的白光发射，而在p-GaN表面上生长一层ZnO种子层后制备ZnO纳米棒阵列时，ZnO纳米棒/i-ZnO/p-GaN器件的电致发光则为紫外-蓝光发射。 .(4) 在具有多量子阱结构的GaN蓝光外延片表面生长取向高度一致的ZnO纳米棒阵列，发现ZnO纳米棒对器件发光具有明显的增强效应。.(5) 采用PLD技术在p-GaN衬底上沉积n-ZnO薄膜，构造n-ZnO/p-GaN异质结型紫外光电探测器，研究了器件的光谱响应特性，发现该探测器件对364nm附近的紫外光有较强的选择性。