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ZnO是一种新型的直接带隙的宽禁带半导体材料,其室温下的带隙为3.37eV。由于其室温激子束缚能高达60meV,因而有可能在室温条件下实现低阈值电泵浦激子相关的紫外激光。ZnO材料在实现紫外激光方面存在着巨大的潜力,近年来国内外众多研究小组都绕着这一课题开展研究。然而经过十几年来大量人力物力资源的投入,电泵浦ZnO紫外激光器却始终难以实现。这主要是由于获得稳定低阻的p型ZnO薄膜仍然是一个国际性科学难题,是实现ZnO基紫外激光器的最大挑战。为了实现电泵浦ZnO基紫外激光器,我们开展了以下几个方面阶段性的理论研究工作:1.探索了克服本征施主自补偿,提高ZnOp型掺杂效率的新策略。我们通过第一性原理的方法模拟了MBE极性生长N掺杂ZnO的动力学过程,我们发现在Zn极性生长的过程中会形成NZn-VO缺陷。NZn-VO是一种亚稳态的施主复合缺陷,因此在生长过程中不会被ZnO中的本征施主缺陷补偿而保留下来。而NZn-VO在激活后会跃过1.1eV的势垒转化为稳态的受主缺陷NO-VZn。理论计算得到NO-VZn的离化能约为0.16eV,为浅受主缺陷。结合理论计算的结果,我们提出了有利于在实验上提高ZnOp型掺杂效率的几点建议包括:采用Zn极性衬底外延生长、控制Zn源和O源流量平衡、采用NO或NO2替代N2作为掺杂源。为稳定高效的p型ZnO的实现提供了理论依据。2.探索了通过一种新的方式——量子级联的方式来实现电泵浦ZnO基紫外激光器。对于传统的带间跃迁的发光方式来说,目前p型ZnO的掺杂效率很难符合激射要求。因此我们尝试采用一种新型的跃迁的方式——导带子带间跃迁的方式,只采用n型ZnO材料来实现电泵浦紫外激光。但是受一维量子阱的固有属性的限制,传统的一维限制量子级联激光器目前只能工作在远红外中红外区域,这主要是由于在获得更短波长光子出射的时候很难实现粒子数反转。研究发现在传统的一维限制量子级联激光器的基础上增加另一个维度的量子限制,可以人为的构建电子-长光学声子共振散射的通道,通过电子-长光学声子散射缩短低能态发光能级上电子的寿命来实现粒子数反转。利用ZnO/MgO带阶较大(约为3.59eV)的特点,最终在原理上设计出发光波长为λ=2.95μm,1.57μm,1.13μm,734nm的ZnO/MgO基二维限制量子级联激光器。虽然目前还没有实现紫外激光,但我们的工作为短波量子级联激光器的设计,以及ZnO基电泵浦紫外激光的实现提供了新思路。