点缺陷调控:宽禁带II族氧化物半导体的机遇与挑战

摘要

cqvip:宽禁带Ⅱ族氧化物半导体材料体系,包括氧化铍(BeO)、氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)及合金,拥有较大的激子结合能(ZnO 60 meV, MgO 80 meV),较高的光学增益(ZnO 300 cm-1)以及较宽的可调带隙(ZnO3.37 eV, MgO 7.8 eV, BeO 10.6 eV),具有实现紫外及深紫外波段低阈值激光器的独特优势,同时也是取代传统气体放电灯(汞灯、氘灯、准分子灯、氙灯)成为深紫外乃至真空紫外光源的重要候选材料之一.虽然经过20余年的研究历程, ZnO基pn同质结近紫外电致发光方向取得了长足进步,但是,随着带隙的展宽,伴随而来的受主(施主)离化能变高(百毫电子伏特量级),使得室温等效热能(26 meV)无法实现对杂质能级上的空穴(电子)有效离化;此外,掺杂过程中存在的自补偿效应也进一步弱化了载流子的产率,以上因素已经成为了阻碍宽禁带Ⅱ族氧化物半导体实现紫外激光器件及向更短波长扩展的瓶颈性问题,同时也是其他宽禁带半导体材料共同面对的难题.对材料电学及发光性能的调控往往取决于对关键缺陷态的识别与控制,丰富的点缺陷及其组合类型,使宽禁带Ⅱ族氧化物半导体成为研究缺陷物理的重要平台.针对特定点缺陷的识别及表征将有望发现并进一步构建能级较浅的缺陷态,为电学性能调控提供基础.本文从高质量外延生长、杂质与点缺陷、p型掺杂及紫外电致发光三个方面阐述Ⅱ族氧化物半导体近期研究结果,通过对相关研究工作的概览,阐明该体系作为深紫外光源材料的独特优势的同时,指明未来针对电学性能调控的关键在于对点缺陷的调控.