基于电荷非对称谐振隧穿结构的氧化锌基发光二极管研究

Light-emitting diodes (LEDs) based on the wide bandgap semiconductor materials have broad application prospects. Improvement of the quantum efficiency is the key issue of current research. Because of the unbalanced carrier injection efficiencies, the electrons leak from the active layer easily, which will reduce the quantum efficiency and luminescent intensity of the device. In this project, a ZnCdO wide potential well inserted in the electron emitting layer will be used as an electron colection layer, which can capture the electrons and suppress the electron leakage from the active layer. The ZnO based quantum well structure will be employed as the active layer. A charge asymmetric resonance tunnel (CART) will formed between the potential well and the active layer. Electrons could directly tunneling into the active layer through the CART. Through the execution of this project, obtaining high quantum efficiency of the ZnO-based CART LEDs can be expected by optimizing the material component, crystal quality, energy band structure, optoelectronic properties, and referencing the result of the device simulation. By studying the photoelectric properties of the LEDs, the mechanism of carrier transportation and its influence on the luminescence efficiency will be clarified. The reason for improvement of the performance in these CART LEDs will be discussed. This project will provide a scientific reference for ZnO-based LEDs and other semiconductor light-emitting devices.

基于宽禁带半导体材料的电致发光器件具有广阔的应用前景。如何提高发光器件的量子效率是目前研究的重点问题。由于电子和空穴注入效率的不平衡，电子容易溢流出有源区，影响器件发光效率。本项目拟采用组分及带隙可调的ZnCdO材料，在电子注入层中的特定位置设计宽势阱层，对电子进行预先的俘获和限制，并采用ZnO基单/多量子阱结构作为有源层，构筑电荷非对称谐振隧道（CART），使电子能直接隧穿进入发光有源区，提高辐射复合效率。本项目计划通过调节材料组分和晶体质量，控制材料的能带结构和电学光学特性；结合器件仿真结果，设计并制备具有CART结构的ZnO基发光二极管器件，实现高量子效率的电致发光；系统研究器件的电输运特性和发光特性，探明CART结构的作用机理和发光量子效率的具体影响因素，获得提高器件发光效率和稳定性的科学方案，为固态发光器件领域的研究提供理论和实验参考。

基于宽禁带半导体材料的固态电致发光器件在显示、照明、通信、存储、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。具有宽带隙、高激子束缚能的氧化锌材料受到了科研工作者的广泛关注，如何提高发光器件的量子效率是目前研究的重点问题。本项目以材料研究为基础，研制了不同元素掺杂的氧化锌薄膜，系统研究了镁、镓等元素掺杂对薄膜透射率、禁带宽度、载流子浓度、迁移率等光电特性的影响机制，探明了调控薄膜光电特性的工艺方法。通过镓镁共掺杂，获得了禁带宽度较大，同时导电性良好的掺杂氧化锌薄膜。在此基础上，设计并研制了新型多量子阱结构发光二极管器件，实现了电子与空穴的平衡注入，抑制了有源区外的载流子复合，改善了器件的发光性能。研究结果表明，氧化锌基多量子阱中的载流子传输特性与氮化镓中的极为不同，由于ZnO/MgZnO多量子阱中导带带阶与价带带阶比值较高，电子溢流作用并不明显，影响量子效率的主要因素是空穴注入效率不高以及多量子阱中的载流子浓度分布不均匀。针对该问题，我们在多量子阱有源层中，设计了渐变量子垒层，在有源层中构筑电子空穴的非对称谐振隧穿通道，平衡了载流子浓度分布，提高了空穴注入效率，改善了有源层中的辐射复合率，显著提升了器件的量子效率。项目的研究成果为以ZnO为代表的新型发光材料以及发光器件领域的研究提供科学和实践参考。