發(fā)布時(shí)間：2020-07-09 19:14

【摘要】：ZnO是一種新型的直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料,其室溫下的帶隙為3.37eV。由于其室溫激子束縛能高達(dá)60meV,因而有可能在室溫條件下實(shí)現(xiàn)低閾值電泵浦激子相關(guān)的紫外激光。ZnO材料在實(shí)現(xiàn)紫外激光方面存在著巨大的潛力,近年來國內(nèi)外眾多研究小組都繞著這一課題開展研究。然而經(jīng)過十幾年來大量人力物力資源的投入,電泵浦ZnO紫外激光器卻始終難以實(shí)現(xiàn)。這主要是由于獲得穩(wěn)定低阻的p型ZnO薄膜仍然是一個(gè)國際性科學(xué)難題,是實(shí)現(xiàn)ZnO基紫外激光器的最大挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)電泵浦ZnO基紫外激光器,我們開展了以下幾個(gè)方面階段性的理論研究工作:1.探索了克服本征施主自補(bǔ)償,提高ZnOp型摻雜效率的新策略。我們通過第一性原理的方法模擬了MBE極性生長N摻雜ZnO的動力學(xué)過程,我們發(fā)現(xiàn)在Zn極性生長的過程中會形成NZn-VO缺陷。NZn-VO是一種亞穩(wěn)態(tài)的施主復(fù)合缺陷,因此在生長過程中不會被ZnO中的本征施主缺陷補(bǔ)償而保留下來。而NZn-VO在激活后會躍過1.1eV的勢壘轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)的受主缺陷NO-VZn。理論計(jì)算得到NO-VZn的離化能約為0.16eV,為淺受主缺陷。結(jié)合理論計(jì)算的結(jié)果,我們提出了有利于在實(shí)驗(yàn)上提高ZnOp型摻雜效率的幾點(diǎn)建議包括:采用Zn極性襯底外延生長、控制Zn源和O源流量平衡、采用NO或NO2替代N2作為摻雜源。為穩(wěn)定高效的p型ZnO的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。2.探索了通過一種新的方式——量子級聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)電泵浦ZnO基紫外激光器。對于傳統(tǒng)的帶間躍遷的發(fā)光方式來說,目前p型ZnO的摻雜效率很難符合激射要求。因此我們嘗試采用一種新型的躍遷的方式——導(dǎo)帶子帶間躍遷的方式,只采用n型ZnO材料來實(shí)現(xiàn)電泵浦紫外激光。但是受一維量子阱的固有屬性的限制,傳統(tǒng)的一維限制量子級聯(lián)激光器目前只能工作在遠(yuǎn)紅外中紅外區(qū)域,這主要是由于在獲得更短波長光子出射的時(shí)候很難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。研究發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的一維限制量子級聯(lián)激光器的基礎(chǔ)上增加另一個(gè)維度的量子限制,可以人為的構(gòu)建電子-長光學(xué)聲子共振散射的通道,通過電子-長光學(xué)聲子散射縮短低能態(tài)發(fā)光能級上電子的壽命來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。利用ZnO/MgO帶階較大(約為3.59eV)的特點(diǎn),最終在原理上設(shè)計(jì)出發(fā)光波長為λ=2.95μm,1.57μm,1.13μm,734nm的ZnO/MgO基二維限制量子級聯(lián)激光器。雖然目前還沒有實(shí)現(xiàn)紫外激光,但我們的工作為短波量子級聯(lián)激光器的設(shè)計(jì),以及ZnO基電泵浦紫外激光的實(shí)現(xiàn)提供了新思路。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN304
【圖文】：

及立方巖鹽礦結(jié)構(gòu)[10-12]如圖 1.1 所示。其中六方纖[13-15]，因此在自然條件下 ZnO 普遍為穩(wěn)態(tài)的六方的 ZnO 并不常見，其中立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)是一種亞穩(wěn)底上外延的 ZnO 薄膜才有可能是立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)。[壓的條件下存在。目前被普遍研究的是六方纖鋅礦

原子的情況也是如此，如圖 1.2 所示。由于 O 的電負(fù)性非常強(qiáng)[18]而 性又非常弱，使得 O 原子成為負(fù)電中心，而 Zn 原子成為了正電中 和 O 原子之間存在非常強(qiáng)的極性[19]并且Zn-O 鍵中既存在共價(jià)鍵成鍵成分。由于 Zn(O)原子并沒有處在 O(Zn)四面體的中心，正負(fù)電使 ZnO 延 c 軸方向會產(chǎn)生很強(qiáng)自發(fā)極化，極化方向?yàn)?0 0 0 1)方向到的 ZnO 極化強(qiáng)度為-0.05C/m2 [20]。另外當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí) ZnO 中的壓電極化，ZnO 的壓電系數(shù)是所有四面體成鍵的半導(dǎo)體中第二 AlN)，大約是其他Ⅱ-Ⅵ族化合物的兩倍，例如 ZnS,CdS,CdSe。大得 ZnO 在機(jī)電耦合方面有很廣泛的應(yīng)用，可以用來制備機(jī)械致動器器。非常強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化會導(dǎo)致 ZnO 中存很大的內(nèi)建電

HSE 算法得到的 ZnO 能帶結(jié)構(gòu)圖和態(tài)密度。(a)能帶結(jié)構(gòu)圖；（b）總態(tài)密度和密度[26][27]子分布、外延生長、表面吸附以及缺陷的形成等眾多方面造成巨大的年來越來越多的研究工作圍繞著 ZnO 極化問題展開[21-25]。

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