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ZnO基同质结LED 王希玮 2016.12.20 ZnO光敏半导体器件 过去十多年时间里，ZnO作为半导体材料具有的独特的性质而备受瞩目和广泛研究。ZnO具有较高的电子迁移率，是直接带隙半导体，具有较宽的禁带宽度和较大的激子束缚能。在光电器件的应用上，ZnO已经广泛被认为是一种很有潜力的材料，而制造高质量的P型ZnO是实现其应用的关键。本征ZnO是一种n型半导体，必须通过受主掺杂才能完成p型的转变。目前制备P型ZnO的掺杂元素主要集中在Ⅴ族元素N、P、As等及其共掺杂。但由于ZnO中存在较多的本征施主缺陷，对受主掺杂产生高度自补偿作用，而且受主杂质固溶度较低，使得ZnO的p型掺杂存在较多困难。 ZnO与GaN性质对比 ZnO的性质与优势 1. ZnO是直接带隙半导体，晶体结构和晶格常数与GaN非常接近。 2. 带隙很宽，300K环境中，Eg~3.37eV，与GaN相当（Eg~3.40eV）。GaN已经广泛应用于绿光、蓝光和白光发光器件。 3. 室温下ZnO激子束缚能高达60meV，是GaN的2倍多，激子复合可在室温下稳定存在，也可以实现室温或更高温度下高效激子受激发射，且激射阈值比较低。如此高的激子束缚能能够提高发光效率。 4. ZnO薄膜可以大面积、均匀生长在多种衬底上（SiC、蓝宝石、Si，玻璃、塑料等），具有广泛应用范围。而且还可以生长在同质衬底上，GaN不行。 5. ZnO可以在较低温度下生长，高质量薄膜生长温度大约为500℃远低于GaN（＞1000℃）。 6. ZnO晶体生长工艺简单，基于ZnO器件的成本更加低廉。 7. ZnO单晶电子的室温霍尔迁移率在所有氧化物半导体材料中是最高的，约为200cm2V-1s-1，略低于GaN电子迁移率，但饱和速率比GaN高。 8. ZnO热稳定性高，生物兼容性好，原料丰富，刻蚀工艺简单。无毒无污染。 ZnO发光的性质 一般认为ZnO的本征点缺陷有氧空位Vo、锌间隙Zni、氧间隙Oi、锌空位VZn、反位氧OZn、反位锌Zno六种。其中氧空位Vo和锌间隙Zni为主要施主缺陷，且能级较浅，被认为是本征ZnO呈n型的主要原因；氧间隙Oi、反位氧OZn、反位锌Zno因为形成能较高，平衡条件不易形成和稳定存在； VZn形成深受主能级，起到抵消施主的补偿作用，但研究表明VZn缺陷能级与ZnO的发光密切相关。 ZnO材料导带价带见的跃迁、禁带中的本征缺陷态以及掺杂引入的缺陷态向价带的跃迁、导带向缺陷能级的跃迁，禁带中不同缺陷能级之间的跃迁以及激子的复合组成了多种发光带。 ZnO发光类型 1.中心波长位于380nm附近的紫外区：来自于近带边跃迁，通常有多个光谱成分组成，包括自有激子(X)复合、中性施主束缚激子(D0X)的复合、中兴受主束缚激子(A0X)及其声子伴线、双激子复合(M)、施主受主对(DAP)复合以及其声子伴线。 2. 420nm左右的蓝紫光发光带：该发光峰与本征缺陷引起的施主或受主能级相关，如导带与锌空位能级间能级差为3.26eV，锌间隙能级与价带能级差为2.9eV。 3. 中心波长在520nm附近的绿光波段：位于2.4eV左右的绿光发射峰的性质和起源目前还没有定论，但是一般认为这个峰与ZnO的杂质和缺陷有关；研究表明氧空位和铜杂质与这个绿光峰的关系最为紧密，其绿光峰的精细结构与铜杂质有关，而峰位置和线宽与氧空位状态有关。 基于P型ZnO同质结LED 出自：Electrically pumped waveguide lasing from ZnO nanowires Sheng Chu, Guoping Wang… Nature nanotechnology. Vol6 August 2011 基于P型ZnO同质结LED 制备流程： 1. 蓝宝石衬底上使用等离子辅助分子束外延生长一层1050nm厚高质量n型的ZnO薄膜层（1minMgO生长→8min550℃ZnO的buffer生长→5h 700℃ZnO薄膜生长）。 2. 使用CVD法在ZnO薄膜上生长一层Sb掺杂的P型ZnO纳米棒，纳米线直径约为200nm，高度为3.2μm（15min）。 3. 首次使用光泵浦技术实现该纳米棒中的光泵浦激射。 4. 在n型ZnO薄膜上制备Au/Ti（100nm/10nm）金属接触电极。 5.在ZnO纳米线上制备ITO（氧化铟锡）透明电极。 6. 在ZnO纳米棒上利用旋涂技术旋涂了PMMA薄膜，使得PMMA绝缘聚合物填塞ZnO纳米棒空隙。（防止ITO与ZnO薄膜接触） 制备特点：融合了MBE的生长薄膜技术（薄膜质量高）和CVD法（纳米线列阵生长速度快） 激发方式：光泵浦（Optical Pump） 基于P型ZnO同质结LED 左图为注入电流20~70mA是的电致发光图谱，右图为电致发光图谱对应的断面光学