基于ZnO薄膜的发光器件电抽运随机激射性能优化研究.docxVIP

基于ZnO薄膜的发光器件电抽运随机激射性能优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代光电子技术飞速发展的背景下，薄膜发光器件作为关键组成部分，在信息存储、光通信、显示技术等众多领域展现出广泛的应用前景。硅基薄膜发光器件因其与现有半导体工艺良好的兼容性以及优异的性能，备受研究者们的关注。在众多可用于硅基薄膜发光器件的材料中，ZnO凭借其独特的光电性能脱颖而出，成为研究的热点之一。

ZnO是一种直接带隙宽禁带的II-VI族化合物半导体材料，室温下禁带宽度约为3.37eV，大于可见光的光子能3.10eV，因此在可见光波段(400nm-800nm)具有很高的透射率。此外，ZnO还具有高达60meV的激子束缚能，这使得激子在室温下能够稳定存在，为实现高效的室温激子复合发光提供了可能，也使其成为制备发光二极管（LED）、激光二极管（LD）等光电器件的理想材料。以ZnO为基础的LED，能够实现从蓝光到紫外光的发射，在照明领域，有望实现更高的发光效率和更宽的色域，为人们带来更优质的照明体验；在生物医学成像中，其紫外发光特性可用于生物分子的标记和检测，提高检测的灵敏度和准确性。同时，ZnO纳米薄膜还可用于制备光电探测器，对紫外光具有高灵敏度和快速响应特性，在环境监测、军事安防等领域发挥重要作用。

随机激射作为一种特殊的发光现象，发生在无序光增益介质中。实现随机激射需要满足两个必要条件：光增益和多重光散射。ZnO材料具有较高的光增益和散射系数，有利于光增益和光的多重散射，被认为是实现随机激光的理想材料。自ZnO材料的随机激射现象被报道以来，相关研究不断涌现，在光抽运随机激射方面已取得了显著进展。然而，从实际应用的角度来看，电抽运随机激射相较于光抽运随机激射具有更多优势，如易于集成、能耗低等，因此实现并优化电抽运随机激射具有更为重要的意义。

近年来，虽然在ZnO薄膜发光器件的电抽运随机激射方面的研究取得了一定成果，但仍存在诸多问题亟待解决。例如，电抽运随机激射的阈值电流和开启电压较高，这不仅限制了器件的工作效率，还增加了能耗；光输出功率较低，难以满足一些对光强度要求较高的应用场景。因此，进一步深入研究并改善ZnO薄膜发光器件的电抽运随机激射性能，对于推动光电子技术的发展具有重要的现实意义。通过提高器件的性能，可以拓展其在更多领域的应用，如高亮度照明、高速光通信、高性能生物医学检测等，为相关产业的发展提供有力的技术支持。

1.2ZnO薄膜发光器件及电抽运随机激射概述

ZnO作为一种重要的半导体材料，具有独特的光电特性。其晶体结构为六角纤锌矿结构，这种结构赋予了ZnO许多优异的性能。在电学方面，纯净的理想化学配比的ZnO由于带隙较宽，本应是绝缘体，但由于本身存在如氧空位、锌填隙等施主缺陷，使其常常表现出N型导电特性。在室温下，ZnO材料通常是氧空位占主导，根据自补偿原理，氧空位产生了2价施主，从而表现出N型导电。在光学方面，ZnO具有宽带隙特性，在可见光波段(400nm-800nm)有高达80%的光学透过率，且高激子结合能使其在室温下的受激辐射能在较低阈值出现，是一种理想的紫外光发射材料。其光致发光谱通常包含紫外发射带和可见光发射带，紫外发射带源于近带边的发射，是由于激子的复合；可见光发射带则通常与缺陷或杂质有关的深能级有关。

ZnO薄膜发光器件的基本结构通常包括衬底、ZnO薄膜发光层以及电极等部分。衬底为器件提供机械支撑，同时影响着ZnO薄膜的生长质量和性能。常见的衬底材料有硅、蓝宝石、玻璃等，不同的衬底材料与ZnO薄膜之间的晶格匹配程度不同，会导致薄膜的生长取向、晶体质量以及应力状态等存在差异，进而影响器件的光电性能。ZnO薄膜发光层是器件实现发光的核心部分，其质量直接决定了发光的效率和波长等特性。电极则用于注入电流，为器件的工作提供能量，电极的材料和制备工艺会影响电流的注入效率和接触电阻等。

电抽运随机激射是在电抽运的方式下，在无序光增益介质中实现的一种激射现象。其原理基于受激辐射理论，当在ZnO薄膜发光器件上施加正向偏压时，电子和空穴被注入到ZnO薄膜发光区。在一定条件下，这些载流子实现粒子数反转分布，即高能态上的粒子数多于低能态的粒子数。此时，当有合适频率的光子入射时，就会引发受激辐射，产生大量相同频率、相位和方向的光子。而在无序的ZnO薄膜介质中，由于存在多重光散射，这些光子在介质中不断散射和传播，形成随机分布的光路径。当光增益足以补偿光在传播过程中的损耗时，就会产生随机激射现象。

发生电抽运随机激射需要满足一定的条件。首先，需要有足够的光增益，这要求ZnO薄膜具有较高的载流子浓度和