基于范德瓦尔斯异质结的半导体发光二极管研究

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自从发光二极管LED成为现代社会广泛应用的电致发光光源以来,探究新型LED一直是科学家们追求的目标。LED从非常基本的一般照明到先进的光子集成电路都有广泛的应用。Ⅲ-Ⅴ化合物半导体发光二极管成功制备,实现了蓝光LED和白光LED的商业化。近年来,硅基和硅兼容的高电致发光(EL)LED由于其在硅基光子集成平台快速发展领域中的重要作用而得到了极大的重视。当代异质CMOS技术的出现,使Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件在Si上的成功集成成为可能,并进一步推动了高EL-Si-Ⅲ-Ⅴ化合物半导体LED在集成光子器件中的重要作用。在本研究中,我们通过在n型和p型半导体之间引入石墨烯作为界面层,展示了高EL-Si和Ⅲ-Ⅴ化合物半导体基LED。石墨烯是增强电致发光的关键成分,它起着热电子积累层的作用。在此,我们利用范德华集成法设计了n型Si或Ⅲ-Ⅴ/厚介电层/石墨烯/p-型Ⅲ-Ⅴ(p-GaN,p-AlGaN)垂直半导体异质结构的热电子LED,这是一种无生长的方法,涉及器件元件的物理组装,并具有器件设计的灵活性。在外加正向电压作用下,半导体/电介质界面上的加速高能电子或热电子可以穿过介质阻挡层,在石墨烯上聚集。石墨烯的热电子可以有效地转移到p型中,导致辐射复合,从而提高EL。在对比实验中,无石墨烯LED没有显示出明显的电致发光,因为厚实的电介质会导致边缘电子隧穿,而热电子碰撞电离将是电子通过电介质传输的主要现象,p型Ⅲ-Ⅴ处的库仑散射导致电子-晶格相互作用,导致非辐射复合。在基于石墨烯的发光二极管中,石墨烯具有高的平面外导电性、优越的电子迁移率和强大的电子-电子相互作用,使得通过介电层的入射热电子能够有效收集,这些石墨烯上的热电子通过库仑散射的沉降有效地转移到p型边,导致了增强的EL。此外,我们还研究了石墨烯的n型掺杂及其对LED增强EL的影响。我们还研究了基于n-(ZnO/MoOx)/p-GaN组合的3d-3d范德华集成半导体异质结LED。n-MoOx是一种著名的空穴传输层和电子阻滞剂,因此作为界面层,MoOx可以限制电子从n-ZnO到p-GaN的运动,促进了ZnO中的空穴有效利用,从而导致了ZnO与纯UⅤ-EL的辐射复合。
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