论文总字数：17150字

目 录

一．引言 1

二．CdZnO/ZnO量子阱发光二极管光电原理与特性 2

2.1 ZnO薄膜的制备方法 2

2.2 ZnO薄膜的光电特性 3

2.3 发光原理 4

2.3.1氧化锌薄膜的发光 4

2.3.2二极管的发光 5

2.4 发光器件的结构及原理 6

2.4.1氧化锌发光器件 6

2.4.2 CdZnO/ZnO量子阱发光二极管的结构 7

三．对样品实验结果的相关拟合与分析 8

3.1 光致发光特性分析 8

3.1.1 光致发光的原理 8

3.1.2对样本光致发光的特性分析 8

3.2 电致发光特性分析 13

3.2.1 电致发光的原理 13

3.2.2对样本电致发光的特性分析 13

四．总结 18

参考文献 20

致谢 21

CdZnO/ZnO量子阱发光二极管光电特性研究

彭琦奥

, China

Abstract: With the rapid development of the microelectronics and electronic information industry, the requirements of the fundamental semiconductor material used in optoelectronic devices are becoming more and more. Following the silicon (Si) and GaAs as the primary semiconductor materials, many new semiconductors have gradually come to our eye. Among them, Zinc oxide (ZnO) with its special physical and chemical properties, has become one of the most important semiconductor materials. Zinc oxide thin film has also become very broad prospect in the field of the fabrication of various optoelectronic devices such as light detector, laser and so on. Besides, the alloy of CdZnO film which is formed by the cadmium (Cd) incorporation made to realize the tunable band edge luminescence in the range of different optical band. In this paper, the production of optoelectronic devices in the basic properties and applications in optoelectronic devices for zinc oxide material have been made an overview of the basic. Furthermore, the properties of CdZnO/ZnO multiple quantum wells light emission diode are emphatically investigated. The properties of photoluminescence spectra at temperature and electroluminescence (EL) spectra at different driving njection current of the CdZnO/ZnO QWs LED device are also been analyzed and studied.

Key Words: CdZnO/ZnO, multiple quantum wells, Light Emitting Diodes, Optoelectronic properties,

一．引言

氧化锌薄膜现今广泛应用于各种光电器件的制备中，与它独特的结构及物理特性有着密不可分的联系。首先，氧化锌薄膜作为应用于光电器件制作中的新型半导体材料，具有较宽的禁带宽度（3.37eV），室温下相对较高的激子束缚能（60meV），以及其相对于室温极高的热离化能（26meV），而它的晶体结构如下图1所示，是典型的六方纤锌矿晶体结构。

图1 六方形纤锌矿ZnO晶体结构

另一方面，CdO具备2.3eV的禁带宽度，因此可以说，以其与ZnO相结合所形成的CdZnO是一种非常良好且极具潜力的可见光半导体发光材料。

而就整个薄膜而言，它在C轴上拥有择优取向且极小的生长特征，使得在它的大量晶粒中，每一个晶粒都呈良好的六方形纤锌矿的结构，这可以通过sol-gel方法所制备的氧化锌薄膜XRD谱线图片来验证，相比标准的氧化锌粉末衍射谱线，涂覆了10层乃至20层的薄膜也都出现了同（100）、（101）及（002）晶面相对应的衍射峰，明显的实验结果验证了所有样品共有的六方形纤锌矿的晶体结构。这就决定了氧化锌薄膜的机电耦合系数和压电常数都十分优良，并且在光导波或声表面波的传播过程中损耗极小，另外薄膜状态本身就具有耐腐蚀性强、结构致密、结晶程度高的特点，因此在制作压光、压电、以及电声或者声光器件的时候，它都会发挥很好的性能特点。

氧化锌薄膜还有很多在制作光电器件时非常有利的物理特性，比如其高熔点、低沉积温度、高电阻率、低电子诱生缺陷等物理性质，与此同时，氧化锌的电阻率的改变还会受到其表面所吸附气体的浓度变化的影响，再加上它独特的气敏特性，使得在极多的光电器件的制作中，包括透明电极、太阳能转换器、特定气体探测器（如CH族、还原性、可燃性或者酸性气体）、报警器等多种领域都成为了优质的首选材料。

氧化锌虽然不是最早得到广泛应用的半导体材料，却是最早得到应用的半导体气敏材料，因为它的物理性质和化学性质都非常稳定。氧化锌的升华温度高达1800℃，所以即使在较高温度的工作环境中，它的性质也不会发生改变。当氧化锌薄膜用于气体探测器时，它对乙醇气体表现出极高灵敏度的特性便起到了重要的作用，然而，除乙醇之外，氧化锌薄膜还对很多其他有机物蒸汽（如甲醛、氨水等）甚至天然气、汽油也都表现出高灵敏度的特点，这就给敏感气体探测带来了诸如选择性差等缺陷，不过这种不足可以通过加入掺杂剂的方法来避免，譬如二氧化钛（TiO₂）、铂（Pt）都是良好的掺杂剂，都可以大幅缩短乙醇探测器的响应及复原时间，同时也提高了它的灵敏度及选择性能。

近年来，氧化锌基发光二极管在科学界得到了人们广泛的重视和研究，氧化锌基发光二极管的结构在不断地被改进，从简单的同质结结构，到后来的异质结结构，至发展到巨大的的多异质结结构，发光二极管的性能一直持续取得着巨大的完善和突破，使得其在光信息，光储存，高清显示器等多种领域都具有非常光明的前景。

虽然其特性及应用已在很大程度上取得了发展，但仍有很多性质等待着人们的挖掘，制作出具备商业价值的氧化锌基发光二极管也依旧是人们急待解决的难题之一。氧化锌薄膜的复杂的能带结构也让人们很难对其发光原理得到同一的理解，一些具有代表意义的氧化锌基同质、异质结发光二极管的光电特性已经在国内外取得了比较全面的了解，但高质量氧化锌薄膜的外延生长技术，可靠性高稳定性强的渗透氧化锌薄膜的获取方法，性能优异的发光二极管器件制备等研究，依旧是人们需要探索研讨的课题。

二．CdZnO/ZnO量子阱发光二极管光电原理与特性

2.1 ZnO薄膜的制备方法

在理想状态下，氧化锌薄膜的结构应该是优化且高质量的，这也就是对其生长过程有了很高的要求。在传统的制备方法中，溶胶凝胶法、化学气相沉积（MOCVD）和磁控溅射法都是很常见的，随着科学技术的不断成长和革新，分子束外延法（MBE）、激光脉冲沉积法（PLD）等领先的技术渐渐走进大家的视野。诚然，采取不同的制备方法所生产出来的氧化锌薄膜的质量和性质必然或多或少的会存在一定的差异，对于氧化锌薄膜的晶格取向、物理光学特征、薄膜表面的平整程度等，不同用途有不同的要求，所以，根据不同的需求选取相应的制备方法，才能得到适合的并且优质的氧化锌薄膜。其中，在目前的制备方法中，磁控溅射法是相对而言研究时间较多，成果较成熟，应用也较广泛的，同时与IC平面器件工艺具有兼容性，喷射过程中不会发生相态变化，化合物也不会发生任何成分上的变化。这种方法可以采用极高纯度（99％）的氧化锌作为靶，也可以使用铝靶，靶纯度极高的原材料成本却都是相对比较低廉的，支持直流磁控溅射，制膜效率很高，再选择输入功率为300瓦特，频率是13.5M赫兹的射频电源，令离子在强电场的环境下轰击薄膜，使表面原子连续逸出，依靠粒子较大的动能，就可以形成沉积从而形成致密且附着能力强的薄膜。制备中的源气体应为氩气（Ar）和氧气（O₂），基片使用单晶硅（Si），制备过程中的工作气压需要稳定在2帕，这样在室温的条件下即可制成所需薄膜。另外，通过控制两种源气体的流量比的不同，比如5：5，5：10，5：20等，甚至选择纯氧气的环境，同时控制不同的退火温度（150℃，300℃，450℃），就可以制备出成分不同的氧化锌薄膜，不过这种特性所导致的高度灵敏也成为了它的一个缺点。通过分析不同工作环境下生长出的薄膜的光致发光谱（PL），就能够分析出氧气流量相对于氧化锌薄膜制备过程中的影响。这种制备方法还有其他的缺点，比如用此工艺制备出的氧化锌薄膜的表面不会达到高平整度的水平，因此会导致衬底受损，氧化锌为靶材料具有较大的热辐射等。

激光脉冲沉积法（PLD）也是一种比较好的制备方法，因为同其余方法比较，此法对化学计量的控制更加精确，在合成的同时即可完成沉积，对于靶的材料表面质量以及形状都没有要求，可以只加工固体材料的表面，而保持材料本体不受任何改变等。

蒸镀法是一种是采用物理方法，在低温条件下即可得到高质量薄膜的镀膜方法，整个工艺过程不发生化学反应，在真空环境中作业，只要使化学计量比满足要求或相对接近，原材料会依靠蒸发的方式向载体表面形成沉积，就能获得定向生长的、多晶的、可见区域有良好透明性的氧化锌薄膜。

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