【摘 要】
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宽禁带(3.37eV)半导体ZnO具有高达60meV的激子束缚能,是发展短波长、低阈值发光/激光二极管(LEDs/LDs)的理想候选材料之一。然而,稳定的、可重复的p型ZnO仍然难以实现,是制约ZnO基同
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宽禁带(3.37eV)半导体ZnO具有高达60meV的激子束缚能,是发展短波长、低阈值发光/激光二极管(LEDs/LDs)的理想候选材料之一。然而,稳定的、可重复的p型ZnO仍然难以实现,是制约ZnO基同质结器件发展的主要瓶颈。因此,异质结器件的研发成为了当前ZnO发光器件研究的主要选择。为了实现纯净的源自ZnO的紫外电致发光,研究人员设计了金属-绝缘体-半导体(MIS)异质结构,希望利用势垒层对载流子的限制效应获得ZnO的激子发射。然而,传统的MIS结器件中的电子-空穴对是由高电场下绝缘层中的“碰撞-离化过程”产生的,载流子的注入效率不高,因此限制了器件的发光效率。为了能够提高MIS结器件的发光效率,我们对传统的MIS异质结进行了结构优化,即引入天然的p型半导体材料作为器件的空穴注入层,通过提高空穴注入效率的方法来提高器件的整体发光效率。鉴于此,本文主要研究工作如下:(1)通过热氧化金属Cu薄膜并优化氧化条件,我们获得了p型Cu2O薄层;并将其引入到ZnO基MIS异质结构当中,构建了Au/Cu2O/MgO/ZnO异质结紫外发光/激光二极管原型器件。对比引入前后的I-V特性曲线,我们发现引入Cu2O后,器件的注入电流明显提高。更重要的是,在相同注入电流下,引入p型Cu2O层器件的电致发光强度要明显强于未引入Cu2O层的器件。这表明Cu2O层起到了空穴注入的效果,可以有效地降低器件的注入电流,提高发光效率。(2)为将器件的发射波长拓展到深紫外区,我们以带隙更宽的MgZnO合金代替ZnO作为有源层。利用脉冲激光沉积技术(PLD)在n-Si衬底上构筑了Au/MgO/MgZnO的MIS结光发射器件;系统研究了MgO绝缘层厚度对器件电学及发光性能的影响。研究表明:过薄的MgO厚度很难将电子阻挡在异质结界面处,电子将会隧穿过宽禁带的MgO层;而过厚的MgO层可导致电场强度下降,“碰撞-离化”效应减弱,进而导致向有源层中的空穴注入效率降低。因此,过薄/过厚的MgO介电层均不利于提高器件的发光效率。通过优化其厚度,我们发现,在MgO阻挡层约为60nm时,器件表现出较好的紫外光发射性能。
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