ZnO微腔的紫外发光增强与器件研究

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ZnO以其直接带隙、宽禁带(3.37eV),高激子束缚能(60 meV)等特点,成为构建短波长光电子器件的重要候选材料。近年来,研究者们围绕如何提高ZnO微腔的光学性能以及如何实现电驱动激光等方向开展了大量的工作。表面等离激元的高光场局域特性和近场增强特性使其成为提高ZnO光学性能的有效手段。设计新型器件结构提高电子注入效率、减少界面损耗,是实现高性能小尺寸半导体激光器的关键策略。本文旨在研究氧化锌微腔的光致发光增强与电致发光,从不同微腔的激光特性研究到表面等离激元增强ZnO发光和增益与损耗调控等方面充分认识ZnO的光致发光。在此基础上,设计新型器件结构,引入新材料来研究ZnO电致发光中的光谱振荡与激射。本论文主要研究内容如下:1.制备高质量ZnO微米棒,引入表面等离激元效应增强ZnO发光。采用多光束激发等手段研究了Au/ZnO复合微腔中激光增强现象,探索电子转移机制;引入O2等离子体刻蚀技术设计了不同石墨烯/ZnO界面,采用光谱和寿命同步测试的手段研究复合微腔中的激光增强,探索能量散射机制。2.设计增益损耗竞争结构调控ZnO微腔的激光。研究体增益对ZnO微腔的模式调控和界面损耗对ZnO微腔的强度调控。利用Al表面等离激元对ZnO F-P腔激光的增益,讨论了水热ZnO微米棒中损耗与增益竞争导致的边模抑制与模式演化;利用GaN对ZnO WGM激光的损耗和Al表面等离激元对激光的增益设计不同损耗增益竞争下的界面,研究了损耗与增益竞争导致的激光强度调控。3.构建基于ZnO微米棒的电致发光器件,研究界面调控下器件电致发光性能。引入MgO,AlN等材料做电子阻挡层,实现紫外发光。同时,引入石墨烯增大器件电流和降低器件温度,实现紫外发光增强。4.构建ZnO基紫外激光二极管,利用显微成像辅助的微区光电测试系统研究大电流注入下单个ZnO微结构中的电泵浦模式振荡与激光。采用掺杂、改变腔体结构和引入AlN隔离层等策略优化器件结构,实现电驱动器件的模式振荡与激射。
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