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从紫外到可见光的波长可调的氧化锌纳米线阵列LED研究

导读: 氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带半导体,具有激子束缚能高(60 meV)、原料丰富廉价等优点,可以实现室温下的高效的激子受激发而成为新一代的半导体发光材料。

  氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带半导体,具有激子束缚能高(60 meV)、原料丰富廉价等优点,可以实现室温下的高效的激子受激发而成为新一代的半导体发光材料。 通过合金化掺杂的能带工程研究, 对设计和制造高效ZnO光电器件具有非常重要的意义,如ZnMgO和ZnCdO可以分别实现ZnO薄膜能带宽度的增加和缩小。但是由于晶体结构和原子大小的差异,在掺杂浓度较高时容易出现晶格失配缺陷和合金相分离现象,限制了能带调节幅度。一维纳米材料的小尺寸可以释放半导体合金的晶格应力,得到较高的合金浓度和良好晶体质量,实现更大幅度的能带调节,给ZnO能带工程带来新的机遇。

GaxZn1-xO纳米线阵列的SEM图,(a-f)对应于镓掺杂浓度逐渐增加(0<x<0.66)

GaxZn1-xO纳米线的高分辨TEM像和EDS元素分布扫描图

  高义华教授领导的研究小组近年来一直致力于ZnO一维纳米材料的光电器件研究。通过简单的化学气相沉积方法,实现了高质量的GaxZn1-xO (0<x<0.66)纳米线阵列的可控合成。利用先进的透射电镜(FEI Titan G2 60-300)分析,发现高浓度镓掺杂氧化锌纳米线保持良好的晶体质量和均匀组分分布。室温PL光谱显示随着掺杂浓度的增加,GaxZn1-xO的近带边发射峰从378 nm 移动到418 nm。更重要的是,由GaxZn1-xO纳米线阵列和p-GaN组成的LED器件电致发光谱显示,通过调节镓掺杂浓度,可以实现发光峰从紫外的382 nm到480 nm的可见光区域大范围调节。这一工作拓宽了现有的40 nm的红移范围,为ZnO能带工程研究和光电子器件发展迈出了重要一步。

n-GaxZn1-xO/p-GaN LED器件结构示意图

(a)波长可调LED的EL光谱, (b) EL光谱的峰峰拟合分析,(c) n-GaxZn1-xO/p-GaN LED器件能带示意图,(d)为不同掺杂浓度LED器件发光的光学照片

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