ZnO基同质结LED

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。
基于P型ZnO同质结LED
时域有限差分法(FDTD) 用来模拟研究远场发射 模式发光空间分布与角 度的关系。 a.FDTD选取了9μm2面 积的中心模拟环境。 b.模拟的385nm光空间 分布。 c. 远场发射模式Θ角分 布。
•谢谢！
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。
• 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）
ZnOwk.baidu.com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。
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
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 显微镜图片。可以看出在低 注入电流下（20-40mA）， 只能观察到集中在385nm出 自有激子自发辐射。但是随 着注入电流无50mA时，可 以观察到ZnO纳米棒在c轴方 向的激射。进一步增加注入 电流的大小，激发了更多纳 米棒产生激光，从而增加了 发射峰的数量。
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。