表面等离激元增强ZnO基LEDs电致发光研究

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1、密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文2013年5月一⋯1n●l1⋯1●●●SUrIacerlaSmonEnnancedEleCtr0IUmlnescenCe0IByShu·-GuangZhangADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringInstituteofSemiconduc

2、torsMay,2013独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学研究院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：——日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解中科院半导体所有关保留、使用学位论文的规定，即：所内有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；所内可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保

3、存论文。(保密的论文在解密后应遵循此规定)签名：导师签名：日期：摘要短波长发光二极管和激光器由于在照明、显示及信息存储等方面的巨大应用潜力，引起了人们广泛的研究兴趣。ZnO由于其宽的直接带隙(3．37eV)和高的激子束缚能(60meV)，成为制备短波长发光二极管的潜在应用材料。近年来，人们针对ZnO基同质和异质结发光二极管开展了广泛而深入的研究。然而，由于ZnO高效、稳定的19型掺杂十分困难，ZnO同质结发光二极管的发光效率一直很低。考虑到GaN和ZnO之间有着良好的晶格匹配及相似的物理性质，p-GaN常被选做P型衬底与n—ZnO构建异质结发光二极管。但由于n-

4、ZnO／p．GaN发光二极管的界面缺陷，ZnO材料的自吸收以及高折射率引起的全反射损失，n—ZnO／p—GaN器件的发光效率普遍较低。近年来，人们发现利用金属表面等离激元可以提高半导体材料和器件的发光效率。基于此，本论文围绕表面等离激元增强ZnO基发光二极管电致发光开展研究，期望利用Ag局域表面等离激元提高器件的发光效率。主要研究成果如下：1．利用磁控溅射制备出了n．ZnO／p．GaN异质结发光二极管，为提高n．ZnO／p．GaN异质结LEDs的发光效率，在异质结中插入AIN层，发现AIN势垒层可以有效抑制界面缺陷，同时对载流子起到良好的限制作用，插入AIN层后

5、器件电致发光强度明显提高。系统研究了AIN势垒层的生长温度和厚度对器件性能的影响，发现A1N势垒层生长温度为700。C，厚度约10nm时器件性能最优。2．阐明了氢等离子体处理对ZnO基异质结发光二极管电致发光性能的影响。实验发现n．ZnO／A1N／p．GaN异质结发光二极管进行氢等离子体处理后，器件在相同注入电流下电致发光强度提高3倍，同时开启电压明显降低，其原因在于氢等离子体处理后ZnO层电子浓度和迁移率的提高以及A1N层对载流子良好的限制作用。而对于n．ZnO／p．GaNLEDs，氢等离子体处理后器件发光性能没有明显改善，原因在于氢进入p-GaN衬底，与Ga

6、N中的Mg形成Mg．H复合体，钝化了GaN中的Mg受主能级。表面等离激元增强ZnO基LEDs电致发光研究3．在n．ZnO／A1N／p．GaN器件中的界面(ZnO／A1N)处引入由反浸润法制备的Ag纳米颗粒，利用Ag局域态表面等离激元与ZnO激子间的耦合作用，加快ZnO近带边辐射跃迁速率，抑制缺陷发光及其它非辐射过程。发现插入Ag纳米颗粒后6mA的注入电流下，器件电致发光强度提高了4．2倍。同时系统研究了Ag纳米颗粒的表面形貌对器件电致发光性能的影响，结果表明器件发光性能与颗粒的大小和分散度密切相关，当颗粒尺寸为10nm时，由于Ag局域等离激元共振峰与Zn0近带边

7、发光峰能量匹配，同时颗粒具有较高的散射效率，器件电致发光强度增强最为明显。4．采用反蛋白石结构模板法在GaN衬底上生长有序ZnO纳米棒阵列，制备出p-GaN薄膜／n．ZnO纳米棒异质结发光二极管。为了简化工艺(省去旋涂聚合物隔离层及等离子体刻蚀等步骤)，我们将石墨烯直接覆盖在ZnO有序纳米棒的顶端代替ITO(同时作为透明电极和电流扩展层)，制备出了新型结构ZnO纳米棒基发光二极管，器件电致发光性能较传统结构器件有明显改善。器件电致发光强度的提高可以归因于石墨烯较高的光透过率，低的接触电阻以及良好的电流扩展性能。关键词：氧化锌；发光二极管；金属表面等离激元；电致发

8、光II摘要Abstrac