论文部分内容阅读
ZnO具有直接带隙宽(室温下为3.37eV)、激子束缚能高(60meV)等优点，在短波长发光器件应用方面有广阔的前景。要研制高效率的发光器件，如发光二极管(LED)，必须对ZnO-LED结构中的关键材料的光学性质、载流子复合特性以及缺陷杂质行为有深入的理解。光致发光(PL)等光谱分析方法是研究上述问题的有力手段。因此，本文用低温、变温稳态光致发光谱、荧光衰减谱、红外吸收谱、Raman散射谱等手段研究了ZnO-LED的关键材料，包括p型ZnO、n型ZnO和ZnMgO／ZnO多量子阱的结构、光学性质以及光激发载流子弛豫和复合特性。研究发现：
1.采用A1-N共掺的方法在实现ZnO薄膜p型导电的同时，也在薄膜中引入应变。发现应变使ZnO薄膜的带隙增大，给出二者之间的近似线性关系。在共掺薄膜中，首次发现两种N-H构型，可能为A1-N-H和C-N-H复合体。实验结果支持了文献报道的理论计算结果。通过对薄膜应变状态和晶格振动谱的分析，结合薄膜电学性能，揭示了A1和N杂质在ZnO晶格中的可能构型及其随温度和Al含量变化的演变行为。
2.A1-N共掺ZnO薄膜中，首次发现Al施主和N受主的互补偿作用导致载流子局域化效应，给出局域势阱深度约17meV。载流子局域化引起PL谱中3.05eV附近的发光峰随温度升高出现S形红移一蓝移一红移现象。用载流子局域化模型解释了该发光的S型移动和温度淬灭行为。在In-N共掺p-ZnO薄膜中，发现能量高于带隙的热载流子复合和／或带一带跃迁，并且在室温下，发光以热载流子复合和带一带跃迁发光为主。从发光温度淬灭行为得到In施主对激子的附加束缚能约9meV。
3.AI-N共掺利In-N共掺获得的薄膜的电学性能上没有显著差异，但在发光性质方面迥然不同。从发光强度看，A1-N共掺要明显强于In-N共掺：但从发光波长看，In-N共掺薄膜的室温发光波长约为370nm，要比A1-N共掺短35nm。实验表明，施主一受主共掺杂的ZnO薄膜在研究掺杂机理、施主受主杂质行为、载流予输运和复合动力学过程、发光动力学等ZnO-LED研制过程中所需解决的许多关键科学问题方面，不失为一种良好的研究对象。
4.A1掺杂n型纳米ZnO中，得到Al的施主能级为87meV。Al的掺入使ZnO激予一声子耦合作用增强。其室温近带边发光源于束缚在表研缺陷上的激子和其一级LO声子伴线。结合前人的研究，进一步证实ZnO的室温NBE有多种跃迁起源，因此在分析和指认时应十分谨慎。在绿色发光带中观察到熟知的精细结构。荧光寿命分析结果表明，这些精细结构并非象通常所认为的那样源于Cu杂质，而很可能是残余浅施主与Al施主的共同作用。
5．在势阱层厚度分别为14nlll和3nm的Zno9Mgo．10／ZnO多层量子阱结构中，激子发光峰分别为ZnO的施主束缚激子和局域激子，对应的热淬灭激活能为75和18meV。对势阱宽度为3nnl的MQWs，发现量子限域效应显著提高了势阱层的发光强度，但由于量子限域Stark效应的作用，其发光能量并没有表现明显的蓝移。在势阱宽度为14nlll的MQWs中，Mg含量不均及界面波动引起载流子局域化现象，其局域势阱深度约15meV。光谱分析表明，用PLD法在Si衬底上生长出的MQWs具有良好的光学性质。