迅猛发展正推动着人类社会从微电子时代逐渐进入光电子时代和光子时代。同集成电路产业对半导体材料的依赖一样,光电材料是整个光电产业的基础和先导。以氧化锌和氮化镓为代表的宽禁带半导体,因其特殊的光电转换特性而被誉为第三代光电子半导体材料。特别是97年ZnO薄膜光泵浦紫外激光的获得和多晶ZnO薄膜自形成谐振腔激光的出现,极大地鼓舞了人们的研究热情,使得ZnO材料成为继GaN之后,宽禁带半导体光电材料领域研究的热点之一。

    氧化锌是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料,具有优异的光学和电学特性,具备了发射蓝光或近紫外光的优越条件,有望开发出紫外、绿光、蓝光等多种发光器件。氧化锌基半导体光电器件主要包括紫外探测器、发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)等,将广泛用于光通信网络、光电显示、光电储存、光电转化和光电探测等领域,是人类的生产生活方式发生深刻的变化。以光电显示领域为例,平板显示技术是信息时代对终端显示的基本要求,目前主要的平板显示技术有液晶(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子体(PDP)、荧光管(VFD)和发光二极管(LED)。发光二极管作为平板显示屏具有驱动电压低,可与集成电路匹配,使用安全,可多色显示,寿命长和响应快等优点,是一种理想的平板显示器件,在科学仪器、便携式微机、航空航天和军事领域具有广阔的应用前景。目前单色显示的红色和绿色LED显示器件已有商品问世,彩色显示器至今未商品化,主要原因是蓝色电致发光的亮度或色纯度达不到实用水平,无法利用三基色实现彩色显示,而白色电致发光材料多是宽带辐射,通过滤光片滤出的三基色辐射有效亮度降低,也达不到实用要求。这就是电致发光领域的蓝光问题。氧化锌基发光二极管(LED)的开发,为LED产品全色显示的实现提供了可能,正在全世界范围内掀起了一场蓝光热。

    实现ZnO基光电器件的关键技术是制备出优质的p型ZnO薄膜。本征ZnO是一种n型半导体,必须通过受主掺杂才能实现p型转变。但是由于氧化锌中存在较多本征施主缺陷,对受主掺杂产生高度自补偿作用,并且受主杂质固溶度很低,难以实现p型转变,导致无法制得半导体器件的核心-氧化锌p-n结结构,极大地限制了氧化锌基光电器件的开发应用。目前,p型ZnO的研究已成为国际上的研究热点。最近,硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室李效民研究员带领的课题组在p型ZnO薄膜及氧化锌p-n结研究中取得突破性进展。该课题组采用常压超声喷雾热解法、通过氮和铟共掺杂, 成功地制备出p型ZnO薄膜,其电学性能远远超过国外目前报道的最好水平(电阻率降低了2个数量级,霍尔迁移率提高了2-3个数量级)。在此基础上,又制备出具有p-ZnO/n-ZnO双层结构的ZnO同质p-n结。这是首次用简单易行的方法制备出性能优异的p型ZnO薄膜及ZnO同质p-n结。这些研究成果对于试制新型氧化锌短波长发光器件、深入研究ZnO薄膜晶体生长和掺杂机理、拓宽氧化锌薄膜应用领域等方面具有重要意义。

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新一代光电材料——氧化锌