ZnO纳米线异质结紫外光发射器件研究

【摘要】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。单晶ZnO纳米线具有优越的电子输运和光学性质，将其引入到光发射器件当中可显著提高器件性能。同时，金属局域表面等离子体（LSP）可以和ZnO激子产生共振耦合，能有效提高有源层的内量子效率和光萃取效率，从而提升整个器件的光发射性能。本论文以ZnO纳米线异质结紫外光发射器件的设计和开发为主要研究内容，从ZnO纳米线阵列及其异质结构的制备、物性研究到纳米线发光器件的构建和性能优化，分阶段系统地研究了基于ZnO纳米线体系的异质结LED器件，主要内容如下：利用无催化高压脉冲激光沉积（PLD）和低成本的水热合成技术实现了对ZnO纳米线阵列的尺寸可控生长，具体研究了制备条件（如：PLD真空室的生长气压、衬底温度、衬底等离子体表面处理、氧气分压、脉冲激光重复频率、水热生长的前驱体浓度、晶种层质量等）对ZnO纳米线阵列的尺寸、取向、表面密度等形貌因素的影响并表征了其光学性质。在此基础上，成功制备了ZnO/MgZnO核壳异质结构纳米线阵列，在MgZnO壳层与ZnO纳米线之间实现了高界面质量的异质外延生长。利用空间分辨的阴极射线发光技术研究了单根核壳纳米线的光学性质。研究表明：MgZnO壳层的载流子限域和表面钝化效应可以有效地增强ZnO纳米柱的紫外近带边发射效率。基于以上纳米线异质结构，分别以ZnO/MgZnO核壳纳米线阵列和裸露ZnO纳米线阵列为有源层，并和p-GaN衬底构成p-n异质结发光器件。两种器件被同时存放于环境空气中超过一年时间，以比较、评价它们的稳定性。研究结果表明：纳米线表面吸附的O2和OH-(水蒸气)等作为受主型和施主型表面态，增加了表面无辐射复合和表面中介的深能级复合，进而导致器件紫外发射的淬灭。MgZnO壳层的包覆可有效阻止表面吸附，增强了纳米线器件的发光效率和稳定性。另一方面，为进一步提高LED的量子效率和光萃取效率，将Ag纳米粒子引入到ZnO纳米线阵列中，结合纳米材料和金属LSP两者的优势，利用AgLSP和ZnO激子的近场耦合以及球形金属粒子LSP本身的强局域场各向同性散射效应,不仅提高了器件的紫外光发射效率而且拓宽了其电致发光空间分布，改善了纳米线阵列LED发光的空间均匀性。此外，为了实现对金属纳米粒子消光谱和介电间隔层厚度的可控调节，我们将Ag纳米粒子和MgO间隔层引入到p-GaN/i-ZnO/n-ZnO薄膜异质结当中，通过优化Ag纳米粒子的尺寸、面密度以及介电MgO间隔层的厚度，平衡了LSP近场耦合与非辐射共振能量转移/电荷转移两个矛盾因素，实现了7倍近紫外电致发射增强。时间分辨光谱与变温发光谱研究表明发光增强来源于：（1）LSP与ZnO激子的共振耦合效应；（2）LSP模式的高光抽取效率。特别是前一因素增强了ZnO材料的自发发射速率和内量子效率。
【作者】刘为振；
【导师】刘益春；徐海阳；
【作者基本信息】东北师范大学，凝聚态物理，2013，博士
【关键词】ZnO纳米线阵列；金属局域表面等离子体；紫外光发射器件；性能改善；

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