ZnO-LED關(guān)鍵材料的光致發(fā)光和載流子復(fù)合特性研究.pdf

1、ZnO具有直接帶隙寬(室溫下為3.37eV)、激子束縛能高(60meV)等優(yōu)點，在短波長發(fā)光器件應(yīng)用方面有廣闊的前景。要研制高效率的發(fā)光器件，如發(fā)光二極管(LED)，必須對ZnO-LED結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵材料的光學(xué)性質(zhì)、載流子復(fù)合特性以及缺陷雜質(zhì)行為有深入的理解。光致發(fā)光(PL)等光譜分析方法是研究上述問題的有力手段。因此，本文用低溫、變溫穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光譜、熒光衰減譜、紅外吸收譜、Raman散射譜等手段研究了ZnO-LED的關(guān)鍵材料，包括p型Z

2、nO、n型ZnO和ZnMgO／ZnO多量子阱的結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)以及光激發(fā)載流子弛豫和復(fù)合特性。研究發(fā)現(xiàn)： 1.采用A1-N共摻的方法在實現(xiàn)ZnO薄膜p型導(dǎo)電的同時，也在薄膜中引入應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)應(yīng)變使ZnO薄膜的帶隙增大，給出二者之間的近似線性關(guān)系。在共摻薄膜中，首次發(fā)現(xiàn)兩種N-H構(gòu)型，可能為A1-N-H和C-N-H復(fù)合體。實驗結(jié)果支持了文獻(xiàn)報道的理論計算結(jié)果。通過對薄膜應(yīng)變狀態(tài)和晶格振動譜的分析，結(jié)合薄膜電學(xué)性能，揭示了A1和N雜質(zhì)在

3、ZnO晶格中的可能構(gòu)型及其隨溫度和Al含量變化的演變行為。 2.A1-N共摻ZnO薄膜中，首次發(fā)現(xiàn)Al施主和N受主的互補(bǔ)償作用導(dǎo)致載流子局域化效應(yīng)，給出局域勢阱深度約17meV。載流子局域化引起PL譜中3.05eV附近的發(fā)光峰隨溫度升高出現(xiàn)S形紅移一藍(lán)移一紅移現(xiàn)象。用載流子局域化模型解釋了該發(fā)光的S型移動和溫度淬滅行為。在In-N共摻p-ZnO薄膜中，發(fā)現(xiàn)能量高于帶隙的熱載流子復(fù)合和／或帶一帶躍遷，并且在室溫下，發(fā)光以熱載流子復(fù)

4、合和帶一帶躍遷發(fā)光為主。從發(fā)光溫度淬滅行為得到In施主對激子的附加束縛能約9meV。 3.AI-N共摻利In-N共摻獲得的薄膜的電學(xué)性能上沒有顯著差異，但在發(fā)光性質(zhì)方面迥然不同。從發(fā)光強(qiáng)度看，A1-N共摻要明顯強(qiáng)于In-N共摻：但從發(fā)光波長看，In-N共摻薄膜的室溫發(fā)光波長約為370nm，要比A1-N共摻短35nm。實驗表明，施主一受主共摻雜的ZnO薄膜在研究摻雜機(jī)理、施主受主雜質(zhì)行為、載流予輸運(yùn)和復(fù)合動力學(xué)過程、發(fā)光動力學(xué)等Z

5、nO-LED研制過程中所需解決的許多關(guān)鍵科學(xué)問題方面，不失為一種良好的研究對象。 4.A1摻雜n型納米ZnO中，得到Al的施主能級為87meV。Al的摻入使ZnO激予一聲子耦合作用增強(qiáng)。其室溫近帶邊發(fā)光源于束縛在表研缺陷上的激子和其一級LO聲子伴線。結(jié)合前人的研究，進(jìn)一步證實ZnO的室溫NBE有多種躍遷起源，因此在分析和指認(rèn)時應(yīng)十分謹(jǐn)慎。在綠色發(fā)光帶中觀察到熟知的精細(xì)結(jié)構(gòu)。熒光壽命分析結(jié)果表明，這些精細(xì)結(jié)構(gòu)并非象通常所認(rèn)為的那樣

6、源于Cu雜質(zhì)，而很可能是殘余淺施主與Al施主的共同作用。 5．在勢阱層厚度分別為14nlll和3nm的Zno9Mgo．10／ZnO多層量子阱結(jié)構(gòu)中，激子發(fā)光峰分別為ZnO的施主束縛激子和局域激子，對應(yīng)的熱淬滅激活能為75和18meV。對勢阱寬度為3nnl的MQWs，發(fā)現(xiàn)量子限域效應(yīng)顯著提高了勢阱層的發(fā)光強(qiáng)度，但由于量子限域Stark效應(yīng)的作用，其發(fā)光能量并沒有表現(xiàn)明顯的藍(lán)移。在勢阱寬度為14nlll的MQWs中，Mg含量不均及界