【摘要】：Zn O是用來(lái)制作高效紫外光電器件最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧?在發(fā)光二極管、激光二極管和紫外探測(cè)器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。作為重要的直接帶隙半導(dǎo)體,其禁帶寬度為3.37e V,室溫下自由激子束縛能是60me V,遠(yuǎn)高于Ga N的25me V和Zn S的38me V,也遠(yuǎn)高于室溫?zé)犭x化能(26me V),使得激子在室溫條件下就可以發(fā)生復(fù)合發(fā)光。與其他寬禁帶半導(dǎo)體材料相比,Zn O更有利于制作紫外光電器件。并且Zn O具有多種微納米結(jié)構(gòu),這些微納米器件也表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能。目前,Zn O的研究已取得了一定的進(jìn)展,但仍存在一些問(wèn)題亟待解決,比如:異質(zhì)結(jié)發(fā)光中心通常在p-Ga N與Zn O界面;帶邊發(fā)光紅移;同質(zhì)結(jié)制作困難等。本論文針對(duì)Zn O研究中存在的問(wèn)題,制備了Zn O微納米結(jié)構(gòu)并制作了微納米結(jié)構(gòu)的光電器件。開(kāi)展了如下創(chuàng)新性的工作:1.在ITO電極上采用溶膠凝膠的方法制備了直徑為5nm的Zn O量子點(diǎn),采用Zn O量子點(diǎn)作為發(fā)光層,p-Ga N作為空穴注入層,制作了Zn O量子點(diǎn)/p-Ga N異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。利用量子點(diǎn)的陷阱控制的空間電荷限制電流的行為,使發(fā)光二極管的發(fā)光中心集中在量子點(diǎn)層,得到了純紫外發(fā)光的Zn O發(fā)光二極管,發(fā)光波長(zhǎng)在382nm,半峰寬較窄。與先前報(bào)道的器件相比,Zn O量子點(diǎn)發(fā)光二極管具有高的發(fā)光強(qiáng)度和好的單色性。2.采用化學(xué)氣相沉積的方法生長(zhǎng)了高效綠色發(fā)光的Zn O微米線。Zn O微米線與p-Ga N構(gòu)成的異質(zhì)結(jié),在p-Ga N端加正向電壓時(shí)得到波長(zhǎng)為395nm的紫外發(fā)光,在Zn O端加正向電壓時(shí)得到發(fā)光峰位于450-700nm的橙色發(fā)光。與n-Ga N構(gòu)成的異質(zhì)結(jié),在Zn O端加正向電壓時(shí)得到波長(zhǎng)為490nm的綠色發(fā)光。并分別詳細(xì)的闡述了各種顏色發(fā)光的機(jī)理。3.采用氮等離子體處理的方法得到了氮摻雜的Zn O單晶。低溫光致發(fā)光光譜中觀察到受主束縛激子相關(guān)的發(fā)光,形成了NO受主能級(jí),拉曼散射光譜中發(fā)現(xiàn)氧晶格的振動(dòng)模式發(fā)生藍(lán)移,處理后Zn O表面功函數(shù)變大,費(fèi)米能級(jí)向價(jià)帶移動(dòng),表明空穴濃度增加。這些結(jié)果都證明氮原子已經(jīng)摻雜到Zn O晶格中。通過(guò)構(gòu)造Zn O基同質(zhì)結(jié)器件,得到了良好的I-V整流特性,表明獲得了p型導(dǎo)電的N摻雜Zn O。4.采用磁控濺射和金屬離子濺射的方法制備了Ag納米顆粒修飾的Zn O薄膜紫外探測(cè)器。Zn O/Ag納米顆粒/Zn O夾層結(jié)構(gòu)在385nm到356nm表現(xiàn)出強(qiáng)的吸收增強(qiáng),Ag納米顆粒改善了Zn O薄膜的性能。Ag修飾的Zn O薄膜紫外探測(cè)器響應(yīng)度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),紫外可見(jiàn)抑制比提高了一個(gè)多量級(jí)。上升和下降時(shí)間明顯減少。
[Abstract]:Zn O is the most promising material for making high efficiency ultraviolet photovoltaic devices. It has been widely used in light emitting diodes, laser diodes and ultraviolet detectors. As an important direct bandgap semiconductor, its band gap width is 3.37e V. the free exciton binding energy at room temperature is 60me V, which is much higher than Ga N's 25me V and Zn S's 38me V, and far higher than the room temperature thermal ionization energy (26me V),). At room temperature, the exciton can produce recombination luminescence. Compared with other wide band gap semiconductor materials, Zn O is more favorable for the fabrication of UV optoelectronic devices. And Zn O has a variety of micro-and nano-structure, these micro-nano devices also show excellent photoelectric performance. At present, some progress has been made in the study of, Zn O, but there are still some problems to be solved, such as: the luminescence center of heterojunction usually lies in the interface of p-Ga N and Zn O; the red shift of band edge luminescence; and the fabrication of homogeneous junction is difficult, etc. In order to solve the problems in the research of Zn O, Zn O microstructures and optoelectronic devices are fabricated in this paper. The following innovative work has been carried out: 1. Zn O quantum dots with diameter of 5nm were prepared by sol-gel method on ITO electrode. Using Zn O quantum dots as luminescent layer and p-Ga N as hole injection layer, Zn O quantum dots / p-Ga N heterojunction light-emitting diodes were fabricated. By using the space charge limiting current behavior controlled by quantum dot trap, the light-emitting center of the light-emitting diode is concentrated in the quantum dot layer, and a pure ultraviolet light-emitting Zn O light-emitting diode is obtained, the wavelength of which is 382 nm and the width of the half peak is narrow. Compared with the previously reported devices, Zn O QDs have high luminescence intensity and good monochromatic properties. 2. The heterojunction between Zn O micron line. Zn O micron line and p-Ga N was grown by chemical vapor deposition (CVD). UV luminescence at the wavelength of 395nm was obtained by adding a forward voltage to the p-Ga N terminal. When positive voltage is applied to the O terminal of Zn, the orange luminescence peak of 450-700nm is obtained. When the positive voltage is applied to the O terminal of n-Ga, the green luminescence of 490nm wavelength is obtained by the heterojunction with n-Ga N. The mechanism of various color luminescence is described in detail. 3. Nitrogen doped Zn O single crystals were obtained by nitrogen plasma treatment. In the low temperature photoluminescence spectra, the acceptor bound excitons were observed and the NO acceptor energy levels were formed. In the Raman scattering spectra, it was found that the vibrational mode of the oxygen lattice shifted blue, and the surface work function of Zn O became larger after treatment. The Fermi level moves to the valence band, indicating an increase in the hole concentration. These results show that the nitrogen atom has been doped into the Zn O lattice. Good I-V rectifying characteristics have been obtained by constructing Zn O-base homogenous junction devices. It is shown that p-type conductive N-doped Zn O. 4 has been obtained. Ag nanoparticles modified Zn O thin film UV detectors were prepared by magnetron sputtering and metal ion sputtering. Zn O/Ag nanoparticles / Zn O interlayer structure showed strong absorption from 385nm to 356nm. The Ag nanoparticles improved the performance of Zn O thin films, the responsivity of Ag modified Zn O thin films was increased by one order of magnitude, and the UV / vis inhibition ratio was increased by one order of magnitude. The time of rising and falling was obviously reduced.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1;O614.241

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本文編號(hào)：2301521