基于GaN量子点的ZnO纳米线/p-GaN薄膜异质结紫外LED的制备及其光电性能研究

ZnO has an important applications in ultraviolet light-emitting devices (UV-LEDs) with high efficiency due to its large exciton binding energy. UV-LEDs based on the n-ZnO/p-GaN PN junction become one of the main research direction in the field of semiconductor materials and devices. However, the properties of UV-LEDs based on ZnO nanowire/p-GaN film is not stable enough, and the main reason is a "dead layer" existing between the contact interface of ZnO nanowires and p-GaN template, which significantly confine the improvement of optical performance. The project intends to insert a layer of GaN quantum dots between ZnO nanowires and P-GaN substrate to improve the distribution of the array of nanowires, effectively avoid "dead layer". Optimizing the device processing, UV-LEDs based on ZnO nanowire/p-GaN heterojunction with good properties can be achieved. On this basis, the tunneling injection mechanism of the carriers though GaN QDs and the radiation mechanism will be studied. Furthermore, the study of ZnO nanowires acting as a waveguide structure directly effecting the light efficiency of GaN quantum dots will be conducted to tune the behavior of photons.

ZnO有着较大的激子结合能使其在高效紫外发光器件方面具有重要的应用前景。基于n-ZnO/p-GaN PN结的ZnO基紫外LED的研究成为半导体材料与器件领域重要研究方向之一。然而，目前基于ZnO纳米线/p-GaN薄膜紫外LED性能并不稳定，主要原因是在ZnO纳米线和p-GaN模板接触界面处存在“死层”区域，严重限制了发光性能的提高。本项目拟在ZnO纳米线和p-GaN模板层之间插入一层GaN量子点，改善纳米线的阵列分布，有效避免“死层”的出现；完善器件工艺，制备出性能较好的ZnO纳米线/GaN异质结紫外发光二极管；并在此基础上，研究载流子输运特性和ZnO纳米线作为一种直接波导结构对GaN量子点出光效率的影响。

n-ZnO/p-GaN PN结的ZnO基紫外LED在高效紫外发光器件方面具有重要的应用前景，从而成为半导体材料与器件领域重要研究方向之一。对于异质外延生长的 AlGaN材料来讲，其内部位错密度高达 10 9 cm -2 量级，导致 AlGaN 量子阱的内量子效率非常低，严重阻碍了短波长光电器件的发展，GaN 量子点的出现为这一领域注入了新的活力。目前基于ZnO纳米线/p-GaN薄膜紫外LED性能并不稳定，ZnO纳米线和p-GaN模板接触界面处存在“死层”区域，严重限制了发光性能的提高。基于此目的，我们在n-ZnO/p-GaN PN结插入了GaN量子点。首先，我们采用金属化学气相沉积法系统研究了各个生长参数对GaN量子点形貌的影响，并给出了恰当的机理分析。采用生长中断工艺在较高温度下获得了尺寸均一、高密度 (2.25×1010 cm-2 ) 且发光性能优良的 GaN 量子点。其次将表面拥有 GaN 量子点的 p-GaN 作衬底制备ZnO 纳米线，GaN 量子点作为纳米棒的种子层。通过调节 GaN 量子点的密度调控 ZnO 纳米线的密度。同时系统研究了GaN 量子点大小和粒度分布等对合成 ZnO 纳米线的影响规律，给出合理的生长机理模型分析。并且量子点的引入实现了0 维结构和1 维结构的结合，显著改善了异质结界面晶体质量，提高了载流子的注入效率，从而获得了 ZnO 纳米线/GaN 量子点有源区。最后，初步研制出了在 p-GaN 薄膜上ZnO 纳米线的发光原型器件，通过对比研究不同反向偏压下器件的电致发光谱，发现在较低的反向偏压下只有绿光发射，而在较高的反向偏压下存在绿光和蓝光发射；随着反向偏压的增加，其光发射的颜色由绿色向蓝色转变。利用能带理论对电致发光机制和载流子输运过程进行了探讨，特别是界面缺陷对电致发光的影响，认为反向偏压下的电子隧穿和异质结界面的氧空位(VO)缺陷共同导致了绿光发射，而蓝光发射来源于p-GaN中的Mg受主能级。以上研究为探索n-ZnO/p-GaN异质结发光二极管的发光机制及直流偏压下异质结中的载流子输运规律提供了依据。