OEA | 老坛装“新酒”——利用超薄电子阻挡层调控LED界面发射，可有效提高发光效率【东南大学徐春祥教授团队】

原创编辑部光电期刊

文章 | Liu W, Li ZX, Shi ZL, Wang R, Zhu YZ et al. Nano-buffer controlled electron tunneling to regulate heterojunctional interface emission. Opto-Electron Adv 4, 200064 (2021).

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研究背景

发光二极管(LED)广泛应用于照明显示领域，考虑到界面损耗以及载流子浓度匹配等，同质结是最佳的结构选择，但对于一些难以获得同质结的半导体材料，能级匹配的异质结构也是其构建发光二极管的一种选择。

与GaN相比，ZnO具有与GaN相似的禁带宽度3.37 eV；然而其激子结合能高达60 meV，远大于室温热能(26 meV)，因此其激子可以在室温下稳定地存在，从而有望实现室温激子型发光器件和低阈值激光器件。1997年，汤子康教授在室温下得到了ZnO薄膜的光泵浦受激发射，美国Science 杂志以“Will UV Lasers Beat the Blues?”预言了ZnO在紫外激光器件领域的潜在优势。

在GaN/ZnO的发光二极管结构中不可避免地会产生可见的界面发射，引入电子阻挡层是一种常见有效的方法。现有研究中，合适的电子阻挡层可以有效地阻断界面发射，但是会提高器件的开启电压。如果可以通过调控界面发射将其利用起来，将会有效地提高发光二极管的发光效率。

研究亮点

针对上述问题，东南大学徐春祥教授课题组系统地研究了HfO₂电子阻挡层在GaN/ZnO结构中对界面发射的调控作用。研究人员详细讨论了引入超薄HfO₂层后，器件结构的电场变化、能带变化以及电子隧穿特性，并进一步研究了这些对器件的电致发光特性的影响。研究结果发现，在HfO₂层的厚度为5.03 nm时，器件的能带变得更为陡峭，在ZnO和HfO₂层界面处会产生很大的隧穿电流，其界面发光波长会从414 nm 蓝移至394 nm，器件的整体发光强度提升大约2倍。

图1 器件制作示意图

图2 (a) ITO/ZnO/HfO₂/GaN发光二极管的I-V特性，插图为ITO/ZnO/HfO₂/GaN发光二极管的原理图；(b) 激发电流为1 mA时发光二极管的归一化电致发光光谱；不同厚度HfO₂薄膜的ZnO/HfO₂/GaN发光二极管的电致发光强度，插图为光照图：(c) 0 nm；(d) 5.03 nm；(e) 8.79 nm；(f) 12.55 nm；(g) 图2(b)中光谱的色度坐标；(h) 图2(c)至图2(f)中LED的EL峰值强度

图3 (a) 基于理论模拟的ZnO/HfO₂/GaN发光二极管的能带；(b) ZnO/HfO₂/GaN发光二极管的电流密度分布及插图显示了模拟的结构图

相关研究为半导体异质结的界面发射调控提供了一个研究手段，为获取高效的纯色异质结发光二极管提供了一种制备方法。

该工作以“Nano-buffer controlled electron tunneling to regulate heterojunctional interface emission”为题发表在英文期刊Opto-Electronic Advances 2021年第9期。文章受到国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划项目资助，论文第一作者为课题组博士生刘威（现为浙江农林大学光机电工程学院专任教师），李竹新以及青年教师石增良博士，通讯作者为徐春祥教授。

研究团队简介

徐春祥教授课题组合照

东南大学徐春祥教授课题组长期从事氧化锌半导体物理器件的研究，研究团队包括青年教师、博士后和博硕研究生等在内的20余人。团队承担多项国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目等国家级、省部级科研项目。在Adv. Mater., Appl. Phys. Lett.等国内外学术刊物上发表论文近百篇，论文已被引用8000余篇次，授权国家发明专利30余项。