硅基ZnO薄膜发光器件的电抽运随机激射增强策略的研究

摘要

随机激射是一种产生于无序增益介质中的发光现象。与传统激光器需要精密的谐振腔不同，随机激射是利用光在无序增益介质中传播时的多重散射作用而不断获得光增益的。ZnO具有较高的激子束缚能（约60meV）和折射率，与之相关的无序介质具有增益高和多重散射作用强的特点，因此被认为是实现随机激射的理想材料。自从ZnO多晶薄膜和粉末的光抽运随机激射被报道以来，研究者们在ZnO随机激射领域进行了大量的研究工作。近年来，研究者们利用各种结构的器件实现了ZnO电抽运随机激射，为随机激射走向实际应用迈出了重要的一步。显然，增强ZnO薄膜电抽运随机激射的性能具有重要意义，而低阈值电流和高光输出功率是其主要的追求目标。本文详细地研究了硅基ZnO薄膜电抽运随机激射性能的增强策略。通过ZnO薄膜的材料改性和器件结构的改进等手段，增强了硅基ZnO薄膜发光器件的电抽运随机激射性能，并阐明了相关的物理机制。本文取得的主要创新成果如下:
　　(1)研究了分别以ZnO薄膜和掺入Zn2TiO4纳米颗粒的ZnO薄膜为发光层的金属-绝缘体-半导体(MIS)器件的电抽运随机激射性能。研究发现:以掺入Zn2TiO4纳米颗粒的ZnO薄膜为发光层的MIS器件具有更低的随机激射阈值电流和更大的光输出功率。这归因于Zn2TiO4纳米颗粒的掺入所引起的ZnO薄膜中光多重散射作用的增强。
　　(2)研究了分别以ZnO薄膜和利用稀HCl进行表面织构化的ZnO薄膜为发光层的MIS器件的电抽运随机激射性能。研究发现:以表面织构化的ZnO薄膜为发光层MIS器件具有更低的电抽运随机激射阈值电流和更大的光输出功率。这可归因于表面织构化的ZnO薄膜的光多重散射作用的增强。
　　(3)研究了分别以电子束蒸发、射频溅射和溶胶-凝胶法制备的SiOx(x≤2)薄膜为绝缘层、以ZnO薄膜为半导体层的MIS器件的电抽运随机激射性能。研究发现:以溶胶-凝胶法制备的SiO2薄膜为绝缘层的MIS器件具有最低的随机激射阈值电流。这有可能归因于溶胶-凝胶法制备的SiO2薄膜中缺陷态数量和能级适中，一方面确保ZnO薄膜导带中积累足够多的电子，另一方面确保ZnO薄膜价带中产生足够多的空穴。
　　(4)研究了ZnO薄膜的光多重散射作用和绝缘层势垒高度对MIS器件电抽运随机激射性能的影响。研究发现:在绝缘层势垒高度相同的情况下，增强ZnO薄膜中光多重散射，可以使器件在更低的电流下由自发辐射转变成随机激射;而在ZnO薄膜中光多重散射强度相同的情况下，增加绝缘层势垒高度，也可以使器件在更低的电流下由自发辐射转变成随机激射，这是光增益增大所导致的。
　　(5)研究了ZnO薄膜厚度对MIS器件随机激射性能的影响。发现当ZnO薄膜厚度在50nm以下时，随着ZnO薄膜厚度的增加，器件的随机激射阈值电流升高。在小电流注入下，器件的随机激射光输出功率随ZnO薄膜厚度增加而减小;而在大电流注入下，器件的随机激射光输出功率随ZnO薄膜厚度增加而增大。从光多重散射和光增益受ZnO薄膜厚度影响的角度对上述现象进行了解释。当ZnO薄膜厚度在100nm以上时，随着ZnO薄膜厚度的增加，器件的随机激射阈值电流降低，光输出功率增大。这可以归因于ZnO薄膜厚度的增加减少了Si衬底对光的吸收，减少了光从ZnO薄膜中的泄漏。
　　(6)研究了双重SiO2/ZnO结构器件的电抽运随机激射。研究发现:双重SiO2/ZnO结构器件比单重SiO2/ZnO结构器件的随机激射阈值电流更低，而且功率转换效率更高。在双重SiO2/ZnO结构器件中，一方面形成了SiO2/ZnO/SiO2波导结构，将光限制在ZnO层中;另一方面，由下层SiO2/ZnO结构中泄漏的电子可以进入上层SiO2/ZnO结构中再次参与辐射复合，而且下层SiO2/ZnO结构中产生的光子可以起到上层SiO2/ZnO结构受激辐射激励光子的作用，增加了受激辐射几率。基于以上原因，双重SiO2/ZnO结构器件的电抽运随机激射特性得到显著的改善。

目录

声明

摘要

第一章 前言

第二章 文献综述

2．1 引言

2．2 ZnO的基本性质

2．2．1 晶体结构和能带结构

2．2．2 电学性能

2．2．3 光学性能

2．2．4 其它性能

2．3 随机激射的研究进展

2．3．1 随机激射现象

2．3．2 随机激射的机理

2．3．3 随机激射的潜在应用

2．4 ZnO随机激射的研究进展

2．4．1 光抽运ZnO随机激射

2．4．2 电抽运ZnO随机激射

2．5 本章小结

第三章 材料与器件的制备方法及表征

3．1 器件的制备

3．1．1 ZnO薄膜

3．1．2 绝缘层

3．1．3 电极

3．2 薄膜与器件性能的表征方法

3．2．1 薄膜结构、形貌与组成

3．2．2 薄膜与器件的光学性能

3．2．3 器件电学性能

3．3 本章小结

第四章 利用Zn2TiO4纳米颗粒镶嵌增强ZnO薄膜MIS器件的电抽运随机激射

4．1 引言

4．2 ZnO薄膜、Zn2TiO4纳米颗粒镶嵌ZnO薄膜及其MIS器件的制备

4．3 薄膜的表征

4．4 MIS器件的电抽运随机激射

4．5 随机激射增强的机理

4．6 本章小结

第五章 利用表面织构化增强ZnO薄膜MIS器件的电抽运随机激射

5．1 引言

5．2 ZnO薄膜的表面织构化

5．3 表面织构化的表征

5．4 MIS器件的电抽运随机激射

5．5 随机激射增强的机理

5．6 表面织构化参数对ZnO薄膜MIS器件电抽运随机激射的影响

5．6．1 稀HCl浓度对ZnO薄膜MIS器件电抽运随机激射的影响

5．6．2 表面织构化处理时间对ZnO薄膜MIS器件电抽运随机激射的影响

5．6．3 表面织构化处理温度对ZnO薄膜MIS器件电抽运随机激射的影响

5．7 本章小结

第六章 ZnO薄膜厚度对其MIS器件电抽运随机激射的影响

6．1 引言

6．2 基于不同厚度(小于50 nm)的ZnO薄膜的MIS器件的电抽运随机激射

6．2．1 ZnO薄膜的表征

6．2．2 ZnO薄膜MIS器件的电抽运随机激射

6．2．3 薄膜厚度对器件电抽运随机激射影响的机理

6．3 基于不同厚度(大于100 nm)的ZnO薄膜的MIS器件的电抽运随机激射

6．3．1 ZnO薄膜的表征

6．3．2 ZnO薄膜MIS器件的电抽运随机激射

6．3．3 薄膜厚度对器件电抽运随机激射影响的机理

6．4 本章小结

第七章 基于双重SiO2／ZnO结构的发光器件的电抽运随机激射

7．1 引言

7．2 不同结构器件的制备

7．3 器件的电抽运随机激射

7．4 双重SiO2／ZnO结构提升器件电抽运随机激射性能的机理解释

7．5 本章小结

第八章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果