新闻资讯

News

全部分类 >

首页

2025

发光学报·特邀综述 | 氧化锌微纳结构紫外发光与激光器件研究进展

作者：

导读

氧化锌（ZnO）作为一种典型的直接带隙宽禁带半导体，具有多样的微纳结构以及卓越的电致发光和激光增益特性，在紫外微纳光源和激光器等光电器件的设计与构筑方面具有独特的优势。然而，ZnO异质结器件的性能仍旧受限于较低的光谱纯度和输出功率，相应的同质结器件的设计与构筑也因缺少稳定的高质量p型掺杂而受阻。因此，探究基于ZnO微纳结构的紫外光源的设计与性能优化新方案显得尤为迫切。

近日，南京航空航天大学的姜明明教授与施大宁教授所带领的课题组，在知名期刊《发光学报》上发表了一篇题为《氧化锌微纳结构紫外发光与激光器件研究进展》的特邀报告。该文章由博士研究生刘茂生担任第一作者，全面而系统地梳理了该领域最新的研究成果，并对未来的发展趋势进行了展望。

文章首先简要回顾了ZnO的基本特性及其微纳结构的常见制备方式，阐述了基于低维ZnO异质结构和肖特基结构的发光与激光器件及相应性能优化手段的研究进展;进一步讨论了p型ZnO材料及相应同质结构发光与激光器件的研究现状;最后对ZnO基紫外光源仍旧存在的问题和未来发展方向进行了总结与展望。

引言

半导体紫外光源（发光二极管和激光二极管）具有体积小、质量轻、制作简单和成本低等优点，使其在水和空气净化、生物医学消毒、光刻等领域有重要的潜在应用。目前，微纳米尺度的紫外光源的设计主要是基于宽禁带半导体如氧化锌、氮化镓（GaN）以及部分有机材料。但其中GaN基材料的微纳结构的生长时间较长且需要昂贵的高温高压设备，材料中存在的不可避免的强压电极化场、载流子泄露、面内应力也会导致相关器件效率下降；有机材料中的激发态吸收、低的载流子迁移率、吸收损耗等也限制了其电驱动器件的性能。六角纤锌矿结构的ZnO是II-VI族宽禁带（3.37 eV）的直接带隙半导体材料，它具有高化学稳定性、大光电耦合系数、高的激子结合能（60 meV）以及优良的光学、电学等特性，还具有结晶质量高、易于制备、原材料丰富、安全环保等特点，是制造高效稳定紫外微纳光电器件潜在的应用材料。然而，由于晶格失配、载流子泄露、界面损耗等原因，ZnO基异质结器件的光谱纯度和输出功率等仍需进一步优化。稳定可重复的p型ZnO的制备也受限于材料中受主杂质的低溶解度、强烈的自补偿效应等因素。因此，探索ZnO材料的高效率可重复的p型掺杂技术以及相关器件的性能优化与调制以促进其实际应用成为当前研究的热点方向。

基于氧化锌微纳结构的紫外光源类型

ZnO材料具有多种尺寸和形态可控的微/纳米结构，利用化学气相沉积、气相外延、脉冲激光沉积、碳热还原、水溶液化学生长等方式可以实现多种氧化锌微纳结构的生长。利用这些结构结合不同的 p型材料，可以构筑各种ZnO异质结基紫外光源。在此基础上，通过等离激元效应、界面工程、压电-光电子效应等手段也可以对器件发光和激光性能进行调控和优化。此外，利用各种IA和VA族元素也可以实现ZnO的p型掺杂以实现相应的同质结紫外光源，如图1所示。

图1：基于氧化锌微纳结构的紫外光源

基于氧化锌微纳结构的紫外光源

（1）氧化锌微纳结构发光二极管

基于ZnO微纳结构的发光二极管和激光二极管主要是ZnO与其他p型半导体材料（如p型Si、p型GaN、p型铝镓氮（AlGaN）、p型有机物等）结合构成的异质结构。如图2所示，这其中GaN拥有成熟的掺杂工艺以及大规模制造基础，且与ZnO材料之间存在较小的晶格失配（1.8%），GaN和ZnO材料还具有相似的热膨胀系数，这使得基于ZnO与GaN异质结构的紫外发光二极管表现出了较高的效率、稳定性以及亮度。此外，相关研究还报道了基于ZnO纳米线阵列的金属-绝缘体-半导体肖特基类发光二极管，展现出良好的单色性和稳定性。但这些器件的输出功率较低，且发光不纯，GaN 一侧的发光往往不可避免。

图2：基于氧化锌微纳结构的紫外发光二极管。（b）Au-绝缘体-ZnO纳米线发光二极管

（2）氧化锌微纳结构发光二极管的性能优化

针对器件发光效率低，发光中心较多造成的光谱纯度低等问题，目前已经有以下几种性能优化方式：引入介质层调控能带结构限域载流子辐射复合区并改善异质结界面的接触降低界面损耗；引入金属纳米结构利用其等离激元效应提高载流子注入效率或者通过热电子注入和等离激元共振的方式纯化器件发射光谱；利用压电-光电子效应调节器件界面处的能带结构，形成空穴或电子势阱，从而提高载流子注入效率，增强器件发射。但这些方式也会引入一些不利的因素，如阻热效应、金属损耗等。未来的相关研究需要综合考虑多种因素，综合多种方式实现器件的结构和性能优化。

（3）氧化锌微纳结构激光二极管

由于不同的ZnO微纳结构中存在不同形状的光学微腔，这些微腔可以支持不同的激光模式，主要包括随机激光、回音壁模式（WGM）激光、法布里-珀罗（F-P）模式激光。如图3所示，基于金属-绝缘体-半导体、金属-半导体等肖特基结构可以实现电泵浦激光发射。此外，具有四边形和六边形横截面的ZnO微结构可以支持F-P模式和WGM的激光发射，基于相应的异质结结构，通过引入氧化镁（MgO）、氧化铪（HfO₂）等材料调控能带实现了F-P模式和WGM电泵浦激光。进一步地，研究者们还引入金属纳米结构和双异质结结构对激光性能进行调制实现了电泵浦单模激光。这些结果为高效率、高亮度的ZnO基相干光源提供了重要参考。

图3：氧化锌微纳结构激光二极管。（a）Au-ZnO微米线肖特基器件结构及伏安特性曲线;（b）Au-ZnO微米线肖特基器件WGM激光光谱;（c）ZnO/GaN异质结WGM激光二极管及激光图像;（d）AlGaN/ZnO/GaN双异质结单模激光二极管

（4）氧化锌微纳同质结发光及激光器件

目前，ZnO的p型掺杂思路主要分为三种：通过掺杂IA族元素取代Zn的位置实现p型导电;通过掺杂VA族元素取代O的位置;通过共掺杂来增加主要杂质的浓度。如图4所示，目前基于磷（P）元素掺杂的ZnO纳米线阵列已经实现了同质结结构的紫外发光二极管，较窄的发光光谱来自于ZnO的近带边发光。此外，在ZnO薄膜上可以生长出高质量的锑（Sb）元素掺杂p型ZnO纳米线阵列，基于此结构也可以实现F-P模式的电泵浦激光。尽管相关报道展示了ZnO的p型掺杂以及相应的紫外光源，但是这些器件的较低的输出功率以及难以抑制的自发辐射背底仍旧阻碍着其实际应用。如何在ZnO材料中实现高效的非平衡载流子注入（特别是非平衡空穴载流子的注入）仍是一个亟待解决的问题。

图4：氧化锌微纳同质结发光及激光器件。（b）基于P元素掺杂的ZnO纳米线结构发光二极管;（b）基于Sb元素掺杂的ZnO纳米线结构激光二极管

总结与展望

在过去的几十年里，低维氧化锌异质/同质结高亮度紫外发光二极管和激光二极管的开发领域取得了长足的进展。但从目前的研究来看，该领域仍然存在着诸多亟待探索的方向。首先，基于ZnO微纳结构的发光二极管已经得到了广泛的研究，但载流子的有效注入、发光区域的限域、界面损耗的降低、阻热效应的缓和等方面的研究仍旧是重要的热点。基于各种元素掺杂的p型ZnO材料的制备也得到了广泛的报道，但稳定的拥有高迁移率、高载流子浓度的p型ZnO材料的可重复合成还是一个难题，也是ZnO基器件走向应用的必由之路。总之，探索和利用新结构和特性以适应未来发展的需求也是相关研究的关键点。随着生产制造工艺和器件集成手段的不断迭代更新，基于ZnO材料的紫外光源将在农业与工业生产、军事侦察等应用领域中逐步走向成熟。

论文信息

刘茂生，施大宁*，姜明明*.氧化锌微纳结构紫外发光与激光器件研究进展[J].发光学报, 2025, 46(2): 203-228.DOI：10.37188/CJL.20240250

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20240250/

上一条

Light Conference on Laser & Quantum 2025圆满落幕——激光与量子科技共绘未来

Light | 超构表面赋能二维透明流场可视化

下一条

上一条

Light Conference on Laser & Quantum 2025圆满落幕——激光与量子科技共绘未来

下一条

Light | 超构表面赋能二维透明流场可视化