基于原子层镶嵌方法的氧化锌p型掺杂研究

氧化锌的激子结合能高达60 meV，这预示着在其中有望实现室温激子型发光和低阈值激光器件，但利用受主掺杂剂氮进行氧化锌的p型掺杂时存在难以掺入、掺杂效率低、以及得到的p型导电不稳定这三个难题。针对该ZnO走向应用的瓶颈问题，本项目中提出用原子层镶嵌的方法进行ZnO的p型掺杂。在ZnO生长过程中引入Li-N/Zn-O多层结构，在该结构中几个原子层厚的Li3N外延生长在ZnO表面。这样Li将占据Zn本来应该占据的位置而N将占据O本来的位置，形成锂代锌和氮代氧的有效受主。同时，Li-N键的存在将有助于抑制Li进入ZnO间隙而形成补偿施主；同时，Li-N键还会抑制NO在ZnO中迁移复合形成(N2)O施主，从而增加p型ZnO的稳定性。总之，该原子层镶嵌的掺杂方法有助于解决上述氮掺杂面临的三个难题，从而有望得到稳定高效的p-ZnO。在此基础上可能实现性能优异的ZnO基激子型发光和低阈值激光器件。

本项目开展的三年间（2011.01- 2013.12），项目组围绕设定的研究内容和目标开展工作，采用锂氮双受主复合掺杂方法初步实现了可重复的p型ZnO，其可稳定存在200余天，打破了之前p型ZnO不稳定的观点。将该p-ZnO薄膜用于发光器件和光电探测器件，在国际上第一次实现了可持续工作的ZnO基发光二极管，其持续工作时间从早期的6.8小时拓展到23小时，目前已达97小时；还获得了放置六个月仍能工作的ZnO基发光二极管。以上结果说明该方法获得的p型ZnO具有良好的稳定性和可靠性。国际上首次实现了MgZnO p-n异质结发光器件，得到了峰值为355 nm的电致发光器件，这是目前已报道的ZnO基发光二极管的最短波长。还基于获得的p型ZnO构建了紫外探测器结构，首次实现了ZnO基pin结构探测器，还实现了五个月响应无明显衰减的自供能紫外探测器。.. 该项目的主要结果均已在国际知名杂志上发表，在项目执行过程中共发表SCI学术论文22篇，其中影响因子大于3.0的论文13篇，与他人合著英文专著1部。受邀在国际系列会议上做邀请报告5次，国内系列会议邀请报告10次。项目组也得到了同行的广泛认可和积极评价，2012年获吉林省科技进步一等奖1项，“氧化锌基紫外光电探测材料与器件”， 获奖人：申德振，单崇新，张吉英，朱海，赵东旭，鞠振刚，刘吉山，刘可为，王立昆，张振中，李炳辉，王双鹏，范希武。2011年获吉林省自然科学学术成果奖二等奖，获奖题目“氧化锌基低阈值激光研究”， 获奖人：单崇新，朱海，李炳辉，张振中，赵东旭，申德振，范希武。本项目负责人单崇新研究员2013年获中科院百人计划终期评估“优秀”；2012年入选吉林省拔尖创新人才第三层次人选；2011年以负责人身份入选“吉林省中青年创新领军人才及优秀团队培育计划”。项目执行期间共培养博士生5名，毕业的学生获国家奖学金3人次，中科院院长优秀奖2人次，中科院优秀毕业生2人次，朱李月华奖学金1次，横山明聪优秀研究生奖学金2人次。.. 可以说，本项目针对ZnO领域的核心问题和国际性难题展开研究，初步实现了稳定可重复的p型ZnO，且该p型ZnO可用于发光二极管、紫外探测器等光电器件。以上结果可能为ZnO p型掺杂难题的最终解决提供可有益的思路和尝试。