论文摘要
近年来,Ⅱ-Ⅵ族半导体ZnO由于具有3.37eV的宽直接带隙、60meV的高激子束缚能、抗辐射能力强、湿化学腐蚀容易和制备工艺相对简单等优点,引起了人们巨大的研究热情。基于ZnO的发光器件是目前的研究热点,人们期望用ZnO取代GaN作为短波长发光器件的基础材料。然而,ZnO的p型掺杂还没有被彻底解决,因此在实现同质p-n结型的ZnO发光二级管和激光器方面还面临着相当大的困难。为了避开ZnO的p型掺杂的困难,人们在尝试利用异质结和金属—绝缘体—半导体（Metal-insulator-semiconductor,MIS）这两类器件来实现ZnO的电致紫外发光。众所周知,硅是最重要的半导体,是集成电路的基础材料。然而,硅是间接带隙半导体,不能直接用于制备发光器件。因此,将ZnO和Si的各自的优势相结合,形成硅基ZnO发光器件,不仅在理论上有重要的探索意义,而且在硅基光电子领域有良好的应用前景。本文详细地研究了硅基ZnO（MgZnO）薄膜材料及发光器件,在制备ZnO（MgZnO）/Si异质结、硅基ZnO（MgZnO）薄膜MIS器件的基础上,对这两类器件的发光特性及其物理机制进行了系统的研究,取得如下有创新意义的结果:（1）用重掺和轻掺的n型和p型（即n+、n-、p+和p-）硅片,分别与ZnO和MgZnO薄膜形成ZnO/Si和MgZnO/Si异质结,实现了它们的室温电致发光。研究发现:ZnO（MgZnO）/n+-Si异质结在正向偏压下,产生源于ZnO（MgZnO）近带边辐射的紫外发光和与缺陷相关的可见发光,而在反向偏压下只有可见发光;ZnO（MgZnO）/n--Si异质结只有在正向偏压下可以产生紫外发光和可见发光,而在反向偏压下几乎不发光;利用隧穿效应实现了ZnO（MgZnO）/p+-Si异质结在反向偏压下的紫外和可见发光,而在正向偏压下只产生可见发光;ZnO（MgZnO）/p--Si异质结无论在正向偏压还是反向偏压下都不能产生发光。从这些异质结的电流—电压特性和它们在不同偏压下的能带图出发,阐明了上述电致发光现象的物理机制。（2）利用以ZnO（MgZnO）薄膜为半导体层、以SiOx（x≤2）为绝缘层的硅基MIS器件,在正向偏压下获得了源于ZnO（MgZnO）薄膜的较纯的紫外电致发光,并且通过改变MgZnO薄膜中Mg的含量,实现了紫外发光峰的蓝移。明确指出:适当厚度的绝缘层对于实现较纯的紫外发光至关重要,载流子在SiOx/ZnO（MgZnO）界面处的积累是紫外发光被增强而可见发光被抑制的根本原因。（3）利用硅基ZnO多晶薄膜MIS器件,实现了室温电抽运ZnO薄膜的随机激光。当正向偏压不断增大时,ZnO薄膜的电致发光由自发辐射转变为随机激光。产生随机激光的原因是:发出的一部分光在薄膜近表面区域平面内传播时会遭到ZnO晶粒的散射,由于光散射的平均自由程小,因此经过多次散射后,一部分被散射的光可以回到起始散射点,形成随机闭环谐振腔。当正向偏压足够大时,在一些随机谐振腔中受激辐射产生的光的增益等于或超过损耗,从而产生激光。此外,还实现了电抽运的MgZnO薄膜的随机激光,所不同的是激光波长发生了蓝移。（4）发现了基于ZnO、MgZnO和Si的MIS器件在高电压下激发N2微等离子体发光的现象。通过对MIS器件中电子输运特性的分析,指出N2微等离子体是由于MIS器件在高电压下发射出足够高能量的电子而激发器件表面附近的空气所产生的。（5）利用硅基ZnO（MgZnO）薄膜MIS器件,研究了电场控制下的ZnO（MgZnO）薄膜的光致发光。与MIS器件在零偏压时的ZnO（MgZnO）薄膜的光致发光相比,正向偏压显著增强ZnO（MgZnO）薄膜的紫外发光而抑制其可见发光。在这种情况下,光生电子在SiOx/ZnO（MgZnO）界面处积累,使得ZnO（MRZnO）薄膜的发光主要集中在近表面区域,并使ZnO（MgZnO）薄膜的带间辐射复合显著增强而参与发光的缺陷数目显著减少。另一方面,反向偏压对ZnO（MgZnO）薄膜的光致发光几乎没有影响。（6）利用硅基ZnO（MgZnO）薄膜MIS器件,通过电场诱导使ZnO（MgZnO）薄膜在恒定的He-Cd激光辐照下产生随机激光。研究表明,当正向电压足够大时,ZnO（MgZnO）薄膜的光致紫外发光的某些波长处出现随机激光。这是由于在较大正向电压下,光生电子在ZnO（MgZnO）薄膜近表面区的强烈积累导致该区域的光致发光增强,从而使得在该区域平面内传播的一部分光在随机谐振腔内振荡并产生出激光。
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标签：异质结论文; 金属绝缘层半导体论文; 电致发光论文; 随机激光论文;