氧化鋅(ZnO)是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體，具有激子束縛能高(60 meV)、原料豐富廉價等優(yōu)點，可以實現(xiàn)室溫下的高效的激子受激發(fā)而成為新一代的半導(dǎo)體發(fā)光材料。 通過合金化摻雜的能帶工程研究， 對設(shè)計和制造高效ZnO光電器件具有非常重要的意義，如ZnMgO和ZnCdO可以分別實現(xiàn)ZnO薄膜能帶寬度的增加和縮小。但是由于晶體結(jié)構(gòu)和原子大小的差異，在摻雜濃度較高時容易出現(xiàn)晶格失配缺陷和合金相分離現(xiàn)象，限制了能帶調(diào)節(jié)幅度。一維納米材料的小尺寸可以釋放半導(dǎo)體合金的晶格應(yīng)力，得到較高的合金濃度和良好晶體質(zhì)量，實現(xiàn)更大幅度的能帶調(diào)節(jié)，給ZnO能帶工程帶來新的機遇。

GaxZn1-xO納米線陣列的SEM圖，(a-f)對應(yīng)于鎵摻雜濃度逐漸增加(0<x<0.66)

GaxZn1-xO納米線的高分辨TEM像和EDS元素分布掃描圖

　　高義華教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組近年來一直致力于ZnO一維納米材料的光電器件研究。通過簡單的化學(xué)氣相沉積方法，實現(xiàn)了高質(zhì)量的GaxZn1-xO (0<x<0.66)納米線陣列的可控合成。利用先進的透射電鏡(FEI Titan G2 60-300)分析，發(fā)現(xiàn)高濃度鎵摻雜氧化鋅納米線保持良好的晶體質(zhì)量和均勻組分分布。室溫PL光譜顯示隨著摻雜濃度的增加，GaxZn1-xO的近帶邊發(fā)射峰從378 nm 移動到418 nm。更重要的是，由GaxZn1-xO納米線陣列和p-GaN組成的LED器件電致發(fā)光譜顯示，通過調(diào)節(jié)鎵摻雜濃度，可以實現(xiàn)發(fā)光峰從紫外的382 nm到480 nm的可見光區(qū)域大范圍調(diào)節(jié)。這一工作拓寬了現(xiàn)有的40 nm的紅移范圍，為ZnO能帶工程研究和光電子器件發(fā)展邁出了重要一步。

n-GaxZn1-xO/p-GaN LED器件結(jié)構(gòu)示意圖

(a)波長可調(diào)LED的EL光譜， (b) EL光譜的峰峰擬合分析，(c) n-GaxZn1-xO/p-GaN LED器件能帶示意圖，(d)為不同摻雜濃度LED器件發(fā)光的光學(xué)照片