基于一维氧化锌纳米材料的电致近紫外激光发射的研究

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当前我们正处于信息和智能化的时代,作为光电子技术,激光器件特别是半导体激光器件凭借着诸多优越的性能在众多领域有着广泛的应用。现今半导体激光器件的发展方向从激光波长来讲,趋向于由红光波段向短波方向迈进。在蓝绿光半导体激光器的研究方兴未艾之时,随着纳米科技的发展,纳米尺度的短波长宽禁带半导体激光器件掀起了新的研究热潮。与其它一些常见宽禁带半导体材料比较而言,氧化锌禁带宽度为3.37 eV;具有较高的激子结合能,在室温下为60 meV。而且氧化锌的热稳定性好,化学稳定性强,来源丰富,价格低廉,因而在激光器应用方面有很大的实用价值。   随着纳米科学技术的不断进步,氧化锌纳米材料的合成手段日趋多样化,而氧化锌纳米材料的形貌因合成方式及条件的不同呈现了多种形态。迄今,多数形态比较稳定的氧化锌纳米材料的光致激光已有所报道。然而,存在的问题在于由于这些氧化锌纳米材料的光致激光器件的激励源为激光,且激励功率较大,使得其功用在通信、信息存储、小型化的集成电路等领域中无法施展。于是,学者们着手进入具有广泛应用意义的电驱动纳米激光器的研究。氧化锌纳米材料的电致激光器件的研究始于p-n结发光二极管,而电致激光方面的报道鲜为少见。低阈值的氧化锌纳米材料的电致近紫外激光研究亟待进一步推进。   结合一维氧化锌纳米材料是理想的小型化激光源的理念,本论文致力于一维氧化锌纳米材料的电致近紫外激光发射的研究。   作为构建器件的基础,定向性好,直径均一且较小,晶体结晶质量高,c轴取向性好,具有较高的光致发光效果的氧化锌纳米线被采用化学气相沉积法合成。在此基础之上,首先在重掺杂的硅基底上生长未掺杂的氧化锌纳米线阵列构建异质结结构。比较有无光刻胶作为填充绝缘层的两种异质结结构的电致发光谱表明无光刻胶作为填充绝缘层的异质结结构具有更高效的近紫外电致发光效率:与强锐的近紫外发光峰强度相比,杂质峰可以忽略;近紫外发光峰的强度随着激励电压的增大而相应增强。这种电致发光特性优于同类电致发光器件的研究报道。   为了降低激励阈值,提高发光效率,进而构建了砷掺杂氧化锌纳米线阵列同质结结构。在正向激励电压下,此同质结结构获得了更好的近紫外发光特性。与位于382 nm处的强锐的近带边谱峰的强度相比较而言,位于510 nm附近的弱杂质光谱带可以忽略。与未掺杂氧化锌纳米线阵列异质结电致发光结果相比,砷掺杂氧化锌纳米线阵列同质结结构的近紫外电致发光的强度随激励电压的增加非线性快速增强。每增加10 V的激励电压,相应的近紫外电致发光峰的强度比之前增加近乎于一倍。随着正向激励电压增加的越高,近紫外电致发光峰的强度增强的越快。这种高效的电致发光效率有利于激光的实现。具有同样高效电致近紫外发光效率的发光器件的研究鲜有报道。   为了进一步降低激励阈值,提高发光效率,并实现一维氧化锌纳米材料的电致近紫外激光发射,继而构建了磷掺杂氧化锌纳米钉阵列异质结结构。由于完美的F-P型自然谐振腔及良好的激光反射镜面的形成,当受到正向电流24 mA的激励后,磷掺杂氧化锌纳米钉阵列异质结结构的电致激光发射呈现良好的单色性(半高宽分别为0.7 nm,0.9 nm和0.5 nm),且发光强度随着激励电流的增大而快速的增强,出现波长分别为386.8 nm,390.4 nm和394.0 nm的三个不同激发模式的激光行为。此结果在氧化锌纳米材料的电致近紫外激光发射研究中处于领先水平。磷掺杂氧化锌纳米钉阵列的近紫外激光发射为氧化锌纳米激光器更为广泛的应用于通讯、信息存储、小型化集成电路等领域奠定基础。   为了符合电、光器件小型集成化的发展趋势,同时研究了单根砷掺杂氧化锌纳米线构建的场效应晶体管的特性。由得到的的电流电压曲线证实了p型导电类型的氧化锌纳米线的成功获取。相应的空穴浓度为1.4×1018 cm-3,迁移率为6.0 cm2/V.s,跨导为0.035μA/V。与此同时,一些砷掺杂氧化锌纳米线场效应晶体管在自然氧化后还呈现出双极性。对于p型导电类型而言,其迁移率为18.7cm2/V.s,而空穴载流子的浓度为1.3×1018cm-3。对于n型导电类型而言,其迁移率为39.2 c㎡/V.s,电子载流子的浓度为1.3×1018cm-3。与n型导电行为相比较,p型导电行为有所抑制。这种单根砷掺杂氧化锌纳米线场效应晶体管的双极性鲜见于宽禁带半导体一维纳米材料的场效应晶体管,国际上尚未见报道。单根砷掺杂氧化锌纳米线场效应晶体管的研究意义在于由这些砷掺杂氧化锌纳米线场效应晶体管可以进一步应用于集成的纳米电子器件以及光电、电光器件的构建。
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