3.3n-ZnO/p-NiO异质结电致发光特性分析

n-ZnO/p-NiO异质结LED的器件结构如图3−5所示。首先，我们采用c-Al₂O₃作为生长薄膜的衬底，采用φ 60×3 mm的高纯度Ni靶为溅射靶材。以高纯Ar和O₂为溅射气体，用直流磁控溅射方法制备NiO薄膜。然后利用分子束外延工艺（P-MBE）在已制备的NiO薄膜上面沉积高质量ZnO层。电学测试结果表明，p-NiO的空穴浓度约为2×10¹⁶ cm^-3，迁移率为6cm/V·s，n-ZnO的电子浓度为4×10¹⁷ cm^-3，迁移率为8 cm²/V·s。n区和p区分别用In和Ni/Au作为电极形成欧姆接触。Au起欧姆接触作用和覆盖作用，利于键合。Ni增加黏润性和均匀性。

图3-5 n-ZnO/p-NiO异质结LED的器件结构示意图

图3−6给出了n-ZnO/p-NiO异质结的XRD图谱。其中，34.47°是来自于ZnO（002）的衍射峰，36.94°是来自于NiO（111）的衍射峰，41.7°是来自于c面蓝宝石（006）的衍射峰。这说明制备的ZnO薄膜有（002）取向，而NiO薄膜有（111）取向。ZnO（002）和NiO（111）晶面晶格失配～4%，这意味着在NiO（111）上外延生长ZnO（002）能形成高质量的pn结，这有利于电子（或空穴）从n-ZnO（或p-NiO）层到p-NiO（或n-ZnO）层，可改善电子和空穴的复合效率，从而获得较强的紫外电致发光。

图3-6 n-ZnO/p-NiO异质结的XRD图谱(www.xing528.com)

图3−7 a给出了n-ZnO/p-NiO异质结电致发光图谱。电致发光图谱是由较强的紫外发光峰和微弱可见发光带组成。随着注入电流从0.5增加到3.5 mA，紫外相对可见发光强度比也逐渐增加，同时紫外发光峰从404 nm蓝移到387 nm。值得注意的是，紫外发光峰的能量值接近ZnO带隙值（3.37 eV），但要比NiO带隙值（3.7 eV）小得多，这说明紫外电致发光峰应来自于ZnO层的辐射复合。为弄清紫外发光峰的来源，对NiO和ZnO层进行了室温光致发光谱测量，如图3−7 b所示。NiO层没有观察到光致发光，而ZnO层则观察到376 nm的紫外发光。ZnO中376 nm的发光峰通常归因于自由激子的复合。对比电致发光和光致发光谱，可确定电致发光中的紫外发光峰是来自于n-ZnO层，紫外发光峰相对于光致发光谱的红移是由于电泵激发比光泵激发效率低^[38,39]。

图3-7 n-ZnO/p-NiO异质结电致发光图谱和室温下ZnO层的光致发光谱

如前所述，通过XPS测量的ZnO/NiO异质结导带和价带偏移量分别是2.93eV和2.6 eV。由于导带偏移量比价带偏移量大，并且NiO层的空穴迁移率与ZnO层的电子迁移率相当，所以对于电子的势垒要比空穴高，在正偏压条件下，空穴很容易从NiO侧进入ZnO侧，但电子很难从ZnO侧进入到NiO侧，最终导致辐射复合出现在ZnO侧，在电致发光中观察到来自于ZnO侧的紫外发光。在电致发光谱中随注入电流增大，紫外发光峰发生蓝移，类似的现象在GaN/ZnO异质结中也存在。众所周知，半导体的电子结构与晶体质量有关。当晶体质量差时，在半导体的禁带中存在很多缺陷态。近带边区域的一些缺陷态形成所谓的带尾态。显然，带尾态区域电子和空穴辐射复合所发射的光子能量要小于带隙值。当施加的正向偏压较小时（或注入电流较小），电子和空穴复合发生在近pn结区，发射的光子能量小于半导体带隙值。然而，当正偏压逐渐增大，更多的电子和空穴可渗透到远离pn结的区域，这些区域薄膜质量更好，具有很少的带尾态，电子和空穴辐射复合发射的光子能量值接近带隙值。因此，随着注入电流的增加电致发光的峰位发生蓝移。

由n-ZnO/p-NiO组成的异质结具有较小的晶格失配，可形成高质量的pn结，有利于空穴从NiO侧注入到ZnO层，可以改善复合效率。另一方面，n-ZnO/p-NiO异质结导带偏移量大于价带偏移量，在正向偏压条件下，NiO层的空穴可以很容易地穿过结区注入到ZnO层，而ZnO层的电子很难到达NiO层而是累积在靠近结区的ZnO侧，可明显改善电子和空穴的复合概率，从而增强紫外电致发光强度。因此，n-ZnO/p-NiO异质结是适合制备紫外LED的合适材料。