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ZnO是直接带隙Ⅱ-Ⅵ族化合物,具有宽的禁带宽度,高的激子结合能,环境友好,原料丰富等优势,作为一种新型的光电半导体材料而备受关注。自从ZnO的室温光泵浦紫外受激发射被发现后,ZnO在紫外发光器件、低阈值激光器件、紫外探测器件等方面展现出巨大的应用潜力。然而p型掺杂是制约ZnO在光电领域应用面临的瓶颈问题,也是一个国际性难题。本论文针对制约ZnO发展的瓶颈性问题展开研究,取得的主要成果如下:
1.利用等离子体辅助分子束外延技术,在蓝宝石衬底上采用高温缓冲层的方法,制备了背景电子浓度约为1.5×1016 cm-3的高质量的非故意掺杂ZnO薄膜,其比直接生长在蓝宝石上的ZnO薄膜降低了两个量级以上,与国际上报道的最好的结果(1×1016 cm-3)相差无几。
2.在获得高质量非故意掺杂ZnO薄膜的基础上,通过光刻工艺构建了MSM插指结构的紫外探测器件,在8V偏压下此器件的响应度达到26000 A/W,增益达到9×104,这是ZnO基紫外探测器目前已报道的最大的响应度和增益之一。
3.通过Li-N双受主共掺杂的方法,制备了p-MgZnO∶(Li,N)薄膜,并构建了p-MgZnO∶(Li,N)/n-ZnO单异质结结构的发光器件,实现了可持续工作的ZnO基发光器件,目前器件的连续工作时间已达97小时,这是ZnO基发光器件连续工作的首次报道,说明获得的p型ZnO具有良好的稳定性。
4.为了获得更短波长的发光器件,制备了p-Mg0.35Zn0.65O∶(Li,N)/n-Mg0.20Zn0.8O的MgZnO基异质结发光器件,实现了室温下的位于355 nm的电致发光,据知这是首次报道MgZnO异质结发光器件及ZnO基发光器件的最短波长之一。