基于加速电子激发的氧化锌基深紫外发光器件研究

Wide bandgap semiconductor based deep ultraviolet emissions have a wide range of applications. Zinc oxide (ZnO) has excellent luminescence properties, which is expected to realize high-performance ultraviolet light-emitting devices. However, p-type doping problem prevented their use in ultraviolet light-emitting devices. To solve the above problems, this project uses the good electron field emission properties of nanocrystalline diamond films, design and construct diamond/MgO/MgxZn1-xO structure. In this structure, electron emitted from diamond films can be accelerated by the electric filed in MgO and forms a high-speed electron beam, which can be used to pump the MgxZn1-xO for ultraviolet emissions. In short, the project combines the excellent optical properties of ZnO based materials and the good field emission properties of diamond thereby avoid the doping problem of ZnO based materials, which may provide an alternative promising route to realize high performance ZnO based deep ultraviolet light-emitting devices.

宽禁带半导体基深紫外发光器件在诸多方面有重要应用前景。氧化锌（ZnO）具有优异的发光性能，有望实现高性能紫外发光器件，然而掺杂问题严重制约了ZnO基紫外发光器件的实现。针对以上难题，本项目提出利用纳米金刚石薄膜良好的场发射性质的特点，设计并构建金刚石薄膜/MgO/MgxZn1-xO结构。在该结构中，金刚石中发射的电子在MgO中加速，形成高速电子束，利用该加速电子束激发MgxZn1-xO从而实现紫外发光。总之，本项目综合了ZnO基材料优异的光学性质和金刚石优良的场发射性能而规避了ZnO基材料 p型掺杂难题，有望为高性能ZnO基深紫外电致发光器件的实现开辟新的途径。

宽禁带半导体基深紫外日盲光电探测器在制导和预警、火灾监测、局域保密通讯等关系国计民生和国防安全的诸多方面有重要的潜在应用。金刚石具有的优异特性使其非常适合于制备高性能日盲光电探测器，然而，金刚石晶体质量较差以及n型掺杂难以实现等问题制约了其进一步应用。针对此问题，本项目提出开发高品质单晶金刚石制备工艺，构建金刚石基日盲光电探测器，从而实现日盲波段的高质量成像和通讯。制备出的高品质金刚石单晶材料在飞秒激光激发下显示出明显的带边发光，而缺陷发光则几乎没有说明其具有优异的光学性质。在此基础上，提出利用激光直写技术在金刚石上原位制作石墨叉指电极，构建全碳材料金刚石基日盲光电探测器。在50 V偏压下，器件峰值响应度和探测率分别为21.8 A/W和1.39×1012 cm Hz1/2 W−1。响应截止波长在225 nm附近，紫外/可见抑制比约为4个数量级，证明器件具有良好的日盲光谱选择性。利用该器件作为成像系统的感光元件获得了高质量的日盲图像。另外，在金刚石表面利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积Ga2O3薄膜，构建金刚石/Ga2O3异质结器件。该器件具有明显的整流特性，在零偏压下，位于244 nm处的峰值响应约为0.2 mA W-1。其响应截止波长位于270 nm，紫外/可见抑制比超过两个数量级，表明此探测器主要响应波段为日盲区。利用此探测器作为成像系统的感光元件，器件在无外加偏压下获得了高质量的日盲成像图案。进一步，通过构建Ga2O3光电探测阵列成像系统，实现了图像的清晰的日盲成像。在上述研究基础上，提出利用折纸工艺在PET基板上生长非晶Ga2O3薄膜制备3D日盲紫外光电探测器阵列，该器件具有出色的多点光分布识别和实时光轨迹探能力，表明其在光学定位、跟踪、成像和通信中具有广泛的应用潜力。相关工作发表SCI文章9篇，其中包括本专业权威期刊Advanced Functional Materials（1篇），Advanced Optical Materials（2篇）和Journal of Materials Chemistry C（2篇）等上发表相关研究成果。申请国家发明专利1项。合著书一本。