n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结的制备及光电性能研究

【摘要】纤锌矿结构的ZnO是一种直接带隙宽禁带（室温下Eg=3.37eV）半导体材料，激子束缚能高达60meV。因此，用ZnO制备的发光二极管（LED）适合在高温、恶劣的环境下工作并获得高效、稳定的发光。半导体p-n结是发光器件的核心部件，被称为LED的芯片。对于ZnO来说，复杂的制备技术、缺乏理想的掺杂受主等因素导致人们仍未制备出高质量的p-ZnO，这严重阻碍了ZnO同质p-n结器件的发展。为此，不得不选用其它的p型半导体材料与n-ZnO结合，制备ZnO基异质结器件。研究发现，GaN与ZnO具有相同的晶体结构、较低的晶格失配度（1.8%）和相似的光电性质，成为首选的p型半导体材料。本文，以商业化的p-GaN外延片作为衬底，利用水热法在其表面生长n-ZnO纳米棒阵列，制备出n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结LED，并在室温下对其进行了光电性质测试。结合Anderson能带图和光致发光（PL）谱，深入地分析了异质结LED的电致发光机制。本文的主要结论如下：1.根据水热法制备n-ZnO纳米棒的最佳参数，在p-GaN外延片的表面生长了n-ZnO纳米棒阵列。利用脉冲激光沉积（PLD）技术分别在n-ZnO纳米棒和p-GaN表面分别生长Pt/Ti与Pt/Ni合金电极，制备出n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结LED。测试表明，n-ZnO纳米棒的载流子浓度和迁移率都要远高于p-GaN。异质结器件具有良好的二极管整流效应，两种金属合金电极分别与各自接触的半导体形成了良好的欧姆接触。室温、正向偏压下，器件呈现出中心波长位于430nm附近的蓝色电致发光。n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结的Anderson能带图表明，n区的电子和p区的空穴具有几乎相等的跃迁势垒高度；换句话说，p-n结对电子和空穴的阻挡作用相近。然而，相比于p-GaN，n-ZnO纳米棒具有更高的载流子浓度和迁移率。当器件工作时，n-ZnO中大量的电子会更快地越过p-n结，注入到p-GaN中与空穴发生辐射复合。因此，n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结LED的电致发光主要源于p-GaN一侧。2.为了实现n-ZnO一侧的电致发光，本文利用PLD技术在n-ZnO纳米棒和p-GaN之间生长适当厚度的宽禁带半导体界面层（AlN、ZnS、Ga2O3）以增加n区中电子的跃迁势垒高度，尽可能将一部分电子限制在n区。计算表明，上述三种界面层对n-ZnO纳米棒中电子的势垒能（即导带带阶EC）都要远高于其对p-GaN中空穴的势垒能（即价带带阶EV），可以抑制电子向p区的快速注入。电致发光测试表明，上述三种n-ZnO纳米棒/p-GaN基PIN型异质结LED在正向电压下均能实现明显的近紫外发光，即n-ZnO的近带边发光。
【作者】张忠俊；
【导师】李清山；
【作者基本信息】鲁东大学，原子与分子物理，2014，硕士
【关键词】发光二极管；异质结；水热法；ZnO；GaN；

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