徐海英，劉茂生，姜明明*，繆長宗，王長順，闞彩俠，施大寧*

（1.南京工程學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇 南京 211167； 2.南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院，江蘇 南京 211106）

1 引 言

半導(dǎo)體可見光光源具有綠色環(huán)保、節(jié)能降耗以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于照明、背光、顯示、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域。但在可見光范圍內(nèi)，人眼較為敏感的黃綠光波段的發(fā)光材料與器件一直受限于“Green/yellow gap”和“Efficiency droop”[1-5]。目前，有機(jī)和無機(jī)直接帶隙半導(dǎo)體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于構(gòu)筑InGaN 基量子阱發(fā)光二極管、鈣鈦礦發(fā)光二極管、有機(jī)發(fā)光二極管等黃綠光發(fā)光器件[6-11]。以InGaN 量子阱黃綠色發(fā)光二極管為例，為了實現(xiàn)黃光發(fā)射，需要增加InGaN 量子阱材料中In 的組分。但是，高In 組分帶來的InGaN 量子阱的強(qiáng)壓電場和較差的晶體質(zhì)量又會導(dǎo)致光發(fā)射效率降低、半峰寬變寬以及發(fā)光顏色改變等[12-14]；此外，由于應(yīng)變極化電場的存在，InGaN 基發(fā)光二極管的性能還會受到量子斯塔克效應(yīng)的影響[15-17]。此外，基于有機(jī)/無機(jī)量子點(diǎn)（包括有機(jī)發(fā)光二極管（Lightemitting diode，LED）、無機(jī)量子點(diǎn)LED、有機(jī)/無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)，或納米晶材料等）構(gòu)筑的黃綠光發(fā)光器件[18-19]，其性能嚴(yán)重受限于差的穩(wěn)定性、低亮度和小尺寸發(fā)光器件所帶來的發(fā)光效率急劇降低等因素[20-23]。

近年來，低維微納米級光源在超高分辨率移動顯示器、生物醫(yī)學(xué)傳感和細(xì)胞生物成像、定向靶向診斷與治療等低維尺度上的需求引起人們廣泛關(guān)注和研究[24-26]。然而，設(shè)計和構(gòu)筑的低維發(fā)光器件存在表面復(fù)合、俄歇復(fù)合、載流子外溢、電極損耗等，極大地影響低維黃綠光發(fā)光器件的量子效率。且隨著器件尺寸的減小，器件的性能出現(xiàn)急劇的衰減[27-32]。由InGaN 基微/納米結(jié)構(gòu)（如納米線、微米線、納米線陣列等）制成的黃綠光發(fā)光器件雖然已被廣泛報道，但它們需要使用昂貴的高溫高真空生長設(shè)備、光刻設(shè)備和技術(shù)平臺，以及復(fù)雜的后處理設(shè)備和技術(shù)等，這些關(guān)鍵因素極大地限制了InGaN 基低維可見光光源的器件化和應(yīng)用化。因此，開發(fā)低價且易于操作的材料和器件結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)低維微納結(jié)構(gòu)基黃綠光發(fā)光器件仍然是一個挑戰(zhàn)[33-35]。

本文在實驗上采用碳熱還原反應(yīng)法生長單根鎵摻雜氧化鋅（ZnO∶Ga）微米線(MW)，選擇p 型InGaN 襯底做空穴注入層，構(gòu)筑了n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)黃光發(fā)光二極管。在正向偏壓驅(qū)動下，制備的器件發(fā)射黃光，相應(yīng)發(fā)光峰的峰位位于580 nm 左右，半峰寬大約為50 nm。隨著注入電流的增加，n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件的色坐標(biāo)始終位于黃光色域范圍。且隨著注入電流的增加，該器件的發(fā)光中心波長和半峰寬幾乎沒有任何變化，說明器件發(fā)光較為穩(wěn)定。另外，基于能帶模型詳細(xì)闡述了n-ZnO∶Ga MW/p-In-GaN 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光機(jī)理，黃光的光發(fā)射來自于n-ZnO∶Ga/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)結(jié)區(qū)界面，即ZnO∶Ga 微米線注入的電子和InGaN 襯底注入的空穴在兩者結(jié)區(qū)界面的耗盡層輻射復(fù)合，這也是器件發(fā)光光譜隨注入電流的增加沒有發(fā)生變化的根本原因。該異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件的耗盡層分布在結(jié)區(qū)界面處，而不是InGaN 襯底中，有效降低了襯底中高In 組分導(dǎo)致的較高缺陷密度和更大的極化電場所帶來的“Green/yellow gap”和“Efficiency droop”。該實驗結(jié)果為制備高性能、低維可見光發(fā)光器件提供了一種全新的實驗方案。

2 實 驗

2.1 材料生長

實驗上采用碳熱還原反應(yīng)方法制備單根鎵摻雜氧化鋅（ZnO∶Ga）微米線[36]。首先將質(zhì)量比為9∶1∶10 的高純度ZnO、氧化鎵（Ga2O3）和碳（C）粉末經(jīng)研磨之后充分混合，作為生長微米線結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體材料。然后，將混合物粉末放入剛玉舟（長×寬×高為4 cm×3.5 cm×2 cm）中，舟的上面放置一純硅晶片（尺寸為3.5 cm×3.5 cm），硅晶片距離舟內(nèi)反應(yīng)源的垂直距離約1.55 cm。剛玉舟放置在水平管式爐內(nèi)石英管中最高溫區(qū)域。在材料生長過程中，石英管中通入高純氬氣體作為保護(hù)性氣體，氣體流量為125 mL/min，生長溫度為1 100 ℃，反應(yīng)時間為1 h。反應(yīng)結(jié)束后待管式爐自然冷卻，取出剛玉舟，便可在Si 襯底上沉積大量的、單根的ZnO∶Ga 微米線。通過改變剛玉舟中反應(yīng)源的量、氣流量和反應(yīng)時間可實現(xiàn)ZnO∶Ga微納結(jié)構(gòu)的表面形貌、尺寸等可控制備。其中微米線的最大長度可達(dá)2.0 cm，直徑范圍為1～30 μm。

2.2 器件制備

選擇單根ZnO∶Ga 微米線，結(jié)合商業(yè)化的p 型InGaN 作為空穴注入層，制備單根微米線異質(zhì)結(jié)電致發(fā)光器件，器件制備過程如圖1 所示[6,37]。首先，采用電子束高真空蒸鍍設(shè)備在InGaN 襯底上制備Ni/Au 電極（30/45 nm），并結(jié)合掩模板在In-GaN 襯底上制備MgO 薄膜（厚度約為5 μm），作為電子阻擋層阻隔器件的top 電極和InGaN 襯底之間的接觸；然后，挑選一根直徑約為10 μm、表面光亮的ZnO∶Ga 微米線放在MgO 溝道中，并在微米線上面放置ITO 導(dǎo)電玻璃；完成n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件的制備。其中ITO 和Ni/Au 作為電極用于實現(xiàn)載流子注入。

圖1 基于n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)制備黃光發(fā)光二極管器件流程圖Fig.1 The fabrication process of n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN heterojunction yellow light-emitting device

2.3 表征與測試

使用掃描電子顯微鏡（SEM）表征單根ZnO∶Ga 微米線的形貌。采用Keysight B1500A 測量單根ZnO∶Ga 微米線、InGaN 襯底以及制備的n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)器件的電學(xué)特性。采用ANDOR 探測器（CCD-13448）和Omni-λ500 光譜儀組成的微光譜檢測系統(tǒng)測量器件的電致發(fā)光特性，發(fā)光器件的電致發(fā)光圖像在光學(xué)顯微鏡下觀察和拍攝。單根ZnO∶Ga 微米線的光致發(fā)光（PL）、InGaN 襯底的PL 光譜使用He-Cd 激光（激發(fā)波長為325 nm）作為激發(fā)光源，采用LabRAMUV Jobin-Yvon 光譜儀進(jìn)行光致發(fā)光光譜測試。

3 結(jié)果與討論

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對生長的單根ZnO∶Ga 微米線進(jìn)行表征，圖2（a）為單根ZnO∶Ga微米線的SEM 圖，插圖為其相應(yīng)的橫截面端面圖。從圖中可以看出，實驗生長的單根ZnO∶Ga微米線擁有標(biāo)準(zhǔn)的六邊形結(jié)構(gòu)形貌，且微米線的表面較為光滑。同時，采用XRD 測試了ZnO∶Ga微米線的晶體結(jié)構(gòu)，用于分析樣品的單晶屬性，相應(yīng)的XRD 結(jié)果如圖2（b）所示。對比ZnO 六角結(jié)構(gòu)的XRD 標(biāo)準(zhǔn)卡片，可以得到ZnO∶Ga 微米線的主要晶格衍射峰位于31.5°、34.1°和36.0°，分別對應(yīng)于ZnO 的（100）、（200）和（101）晶面。XRD測試結(jié)果表明采用該實驗方法生長的單根ZnO∶Ga 微米線具有標(biāo)準(zhǔn)的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和較高的結(jié)晶質(zhì)量。為了證明摻入的Ga 元素能夠在ZnO 材料中取代Zn 的位置形成替位GaZn，我們采用EDS mapping 對單根ZnO∶Ga 微米線進(jìn)行元素分析。如圖2（c）所示，Zn、O 和Ga 三種元素在微米線中的分布較為均勻，說明Ga 摻雜的效果較好。圖2（d）為單根ZnO∶Ga 微納米結(jié)構(gòu)的高分辨TEM 圖像?？梢詼y得Ga 摻雜的ZnO 微米線的晶格間距約為0.289 nm，該數(shù)值遠(yuǎn)小于Ga2O3的晶格間距（～ 0.470 nm），比非摻雜的ZnO 的晶格間隙（～ 0.260 nm）稍大。這種晶格膨脹應(yīng)該是由于Ga 在ZnO 晶格中取代Zn 的位置形成替位GaZn所造成的。實驗結(jié)果表明，我們在實驗上成功實現(xiàn)了Ga 摻雜ZnO 微米線的生長和制備。

圖2 （a）單根ZnO∶Ga 微米線的SEM 圖，插圖為微米線的六邊形橫截面；（b）ZnO∶Ga 微米線的XRD 圖譜；（c）單根ZnO∶Ga 微米線的EDS 元素分析，表明Zn、Ga 和O 三種元素均勻分布在微米線中；（d）單根ZnO∶Ga 微米線的高分辨TEM圖；（e）單根ZnO∶Ga 微米線的PL 光譜；（f）單根ZnO∶Ga 微米線的I-V 曲線。Fig.2 （a）SEM image of a ZnO∶Ga MW，and the diameter is evaluated to about 10 μm.（b）XRD result of the as-synthesized ZnO∶Ga samples.（c）EDS elemental mapping of a ZnO∶Ga，illustrating its uniform composition of Zn，Ga and O species.（d）HRTEM picture of a ZnO∶Ga wire.（e）PL result of a ZnO∶Ga MW.（f）I-V characteristic curve of an individual ZnO∶Ga MW.

圖2（e）為單根ZnO∶Ga 微米線的PL 光譜，表現(xiàn)為較強(qiáng)的紫外光致發(fā)光現(xiàn)象，主峰位于380.0 nm，該紫外光發(fā)射歸因于ZnO∶Ga 微米線中自由激子的輻射復(fù)合。且PL 光譜中幾乎觀察不到任何可見光波段的光發(fā)射，這說明生長的單根ZnO∶Ga 微米線擁有較高的結(jié)晶質(zhì)量和優(yōu)異的光學(xué)特性。另外，我們研究了單根ZnO∶Ga 微米線的電學(xué)特性，相應(yīng)的電流-電壓（I-V）曲線如圖2（f）所示。結(jié)果表明Ga 摻雜ZnO 微米線具有良好的電學(xué)特性，這為進(jìn)一步制備高性能的電致發(fā)光器件提供了優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。

接下來，我們采用p 型InGaN 襯底作為空穴注入層，結(jié)合單根ZnO∶Ga 微米線構(gòu)筑可見光發(fā)光二極管，制備了單根微米線n-ZnO∶Ga/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件，Ni/Au 電極作為正電極，ITO 作為負(fù)電極。針對制備的n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)進(jìn)行相應(yīng)的電學(xué)性質(zhì)測試。Ni/Au 電極接正極，ITO導(dǎo)電玻璃接負(fù)極，在n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件的電致發(fā)光測試過程中，電子從ZnO∶Ga 微米線一側(cè)注入，空穴由p-InGaN 的另一側(cè)注入。當(dāng)施加的正向電壓超過一定值時，異質(zhì)結(jié)器件被點(diǎn)亮，可以觀察到明亮的黃光發(fā)射現(xiàn)象，圖3（a）為數(shù)碼相機(jī)拍攝的黃光發(fā)光照片。

為了證明實驗上制備的n-ZnO∶Ga MW/p-In-GaN 異質(zhì)結(jié)可用于實現(xiàn)微米級黃光發(fā)光二極管，我們首先對單根ZnO∶Ga 微米線和p-InGaN 襯底進(jìn)行電學(xué)特性測試。圖3（b）為單根ZnO∶Ga 微米線和p-InGaN 薄膜的I-V曲線，呈現(xiàn)線性關(guān)系。這表明In 電極和ZnO∶Ga 微米線之間、Ni/Au 電極和InGaN 薄膜之間，形成了良好的歐姆接觸。同時，我們對制備的n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了相應(yīng)的載流子傳輸特性測試，圖3（c）是制備的單根微米線異質(zhì)結(jié)器件的I-V特征曲線，可以看出I-V曲線表現(xiàn)出典型的整流特性，異質(zhì)結(jié)器件的開啟電壓約為7.55 V。該開啟電壓遠(yuǎn)大于ZnO和InGaN 的帶隙，這是因為實驗中使用的p 型In-GaN 襯底上面制備了一層電子阻擋層AlGaN（Electron blocking layer,EBL），該介質(zhì)薄膜增加了n-ZnO∶Ga/p-InGaN 之間的帶差，提高了器件的開啟電壓。

圖3 （a）基于n-ZnO∶Ga/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)制備的單根微米線黃光發(fā)光二極管發(fā)光照片；（b）單根ZnO∶Ga 微米線和p 型In-GaN 襯底的I-V 曲線；（c）單根微米線n-ZnO∶Ga/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)的I-V 曲線；（d）單根微米線n-ZnO∶Ga/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的EL 光譜；（e）單根微米線異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的EL 光譜積分強(qiáng)度隨注入電流的變化關(guān)系；（f）單根微米線異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管EL 峰位和半峰寬隨注入電流的變化關(guān)系。Fig.3 （a）Photograph of a working n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN heterojunction device at an input current of 1.5 mA.（b）Electrical properties via I-V curves of individual ZnO∶Ga MW and p-InGaN template，indicating that Ohmic contacting behaviors of In-ZnO∶Ga and Ni/Au-InGaN are formed.（c）Electrical characterization via I-V curve of the fabricated n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN heterojunction.（d）EL spectra of n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN heterojunction device was measured by varying current in the range of 0.5-3.0 mA.（e）Variation of the integrated EL intensity versus different injection current.（f）Variations of the peak positions and line width as functions of different input current.

制備的單根微米線n-ZnO∶Ga/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件在正向偏壓下，器件發(fā)出較為明亮的黃光。圖3（d）為器件在正向驅(qū)動電壓下的電致發(fā)光光譜,可以看出，發(fā)光峰位于580 nm 附近, 半峰寬大約為50 nm，為典型的黃光發(fā)射。隨著注入電流的增加，發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)。該異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件光譜的積分強(qiáng)度隨注入電流的變化關(guān)系曲線近似為線性增加關(guān)系，如圖3（e）所示。光譜的半峰寬和發(fā)光峰中心波長隨注入電流的變化關(guān)系如圖3（f）所示，隨著注入電流的增加，相應(yīng)的半峰寬和發(fā)光中心波長變化很小。說明基于n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)制備的黃光發(fā)光LED 擁有較好的穩(wěn)定性。

實驗上采用光學(xué)顯微鏡和CCD 相機(jī)對器件的發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行拍攝，進(jìn)一步測試了單根微米線異質(zhì)結(jié)LED 的黃光發(fā)射現(xiàn)象。圖4（a）為拍攝的單根ZnO∶Ga 微米線異質(zhì)結(jié)，可以清楚地觀察到六邊形微米線。當(dāng)施加的正向驅(qū)動偏壓超過開啟電壓時，器件開始發(fā)射黃光，發(fā)光區(qū)域沿著微米線的長度方向分布。隨著注入電流的增大，其亮度和發(fā)光區(qū)域明顯變強(qiáng)變大，圖4（b）～（i）為拍攝的單根微米線異質(zhì)結(jié)LED 的微區(qū)發(fā)光照片，從發(fā)光圖像來看，黃光發(fā)射主要分布在微米線上。此外，微米線上所觀察到的零星的黑暗區(qū)域應(yīng)是由單根ZnO∶Ga微米線和InGaN 薄膜界面的不均勻接觸導(dǎo)致的。由此可見，將單根ZnO∶Ga 微米線和p 型InGaN 襯底結(jié)合在一起構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可用于開發(fā)單根微米線異質(zhì)結(jié)基可見光發(fā)光器件。

圖4 n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的光學(xué)發(fā)光圖像。（a）n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件的光學(xué)圖像；異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管在注入電流為0.5 mA（b）、0.8 mA（c）、1.0 mA（d）、1.5 mA（e）、2.0 mA（f）、2.2 mA（g）、2.5 mA（h）、3.0 mA（i）時的發(fā)光圖像，圖中的尺度為30 μm。Fig.4 Series of optical microscope EL images of the as-constructed n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN heterojunction LED were captured when the device operated under different currents.（a）Optical microscope image of a single MW placed on p-InGaN substrate.（b）0.5 mA.（c）0.8 mA.（d）1.0 mA.（e）1.5 mA.（f）2.0 mA.（g）2.2 mA.（h）2.5 mA.（i）3.0 mA. The scale bar is 30 μm.

采用能帶結(jié)構(gòu)分析n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN異質(zhì)結(jié)基發(fā)光器件的黃光發(fā)射的物理機(jī)制。首先使用激發(fā)波長為325 nm 的He-Cd 激光器作為激發(fā)光源，對單根ZnO∶Ga 微米線和p-InGaN 襯底進(jìn)行光致發(fā)光測試。圖5（a）為室內(nèi)拍攝的InGaN 薄膜的光致發(fā)光光學(xué)照片，可以觀察到明顯的黃綠光發(fā)射現(xiàn)象。圖5（b）中藍(lán)色實線為歸一化的In-GaN 薄膜的PL 光譜曲線，其發(fā)光中心波長位于550 nm，半峰寬為40 nm。同時，我們對n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)器件的電致發(fā)光進(jìn)行了測試。圖5（b）中紅色實線為歸一化的n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件的電致發(fā)光光譜，其主發(fā)射峰位于～580 nm，光譜的半峰寬為50 nm。顯然，單根微米線異質(zhì)結(jié)器件的光發(fā)射并非來自于單根ZnO∶Ga 微米線的近帶邊發(fā)射（～ 380 nm）和可見光發(fā)射（～ 510 nm），也不是來自單純的InGaN襯底的光發(fā)射。由此可以推斷，基于n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)的黃光發(fā)射來自于ZnO∶Ga 微米線和InGaN 襯底結(jié)區(qū)界面處電子-空穴的輻射復(fù)合。

此外，從測得的電致發(fā)光光譜中可以看出，光譜的發(fā)光中心波長和半峰寬隨著注入電流的增加并沒有發(fā)生明顯的變化，即便是在較大的電流注入情況下，依然如此。這一發(fā)光特征表明，異質(zhì)結(jié)器件中的發(fā)光耗盡層不會因為注入電流的增加而發(fā)生改變。為進(jìn)一步研究n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件中載流子的傳輸過程和電致發(fā)光的物理機(jī)制，我們采用Anderson 能帶模型給出了器件在外加正向驅(qū)動偏壓下的能帶結(jié)構(gòu)圖，如圖5（c）所示。當(dāng)施加較大的正向驅(qū)動電壓時，由于p-InGaN 襯底中的EBL薄膜和ZnO∶Ga 之間存在較大的導(dǎo)帶帶差，使得注入的電子被局限于ZnO∶Ga 微米線一側(cè)，這是造成該異質(zhì)結(jié)器件開啟電壓較大的原因。同時，由于p-InGaN 襯底中InGaN 量子阱層的存在，從正極中注入的空穴很難從p-InGaN 層擴(kuò)散至ZnO∶Ga 微米線中，這是在異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件中沒有觀察到任何來自于ZnO∶Ga 微米線的光發(fā)射的原因。因此，基于制備的n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)器件，其黃光發(fā)射是由于ZnO∶Ga 微米線中的電子和InGaN 襯底中的空穴在結(jié)區(qū)界面處的輻射復(fù)合引起。

圖5 （a）p 型InGaN 襯底的光學(xué)發(fā)光圖像；（b）p 型InGaN 襯底的歸一化PL 光譜和n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管歸一化EL 光譜；（c）n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的能帶結(jié)構(gòu)圖；（d）n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的EL 光譜對應(yīng)的色坐標(biāo)；（e）n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的相對外量子效率；（f）n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管在注入電流為1.6 mA 和2.0 mA 時EL 光譜的峰值隨時間的變化關(guān)系。Fig.5 （a）Optical microscope PL image of p-type InGaN layer.（b）Comparison of normalized PL emission of p-type InGaN template and EL spectrum of the fabricated n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN heterojunction LED.（c）The energy band diagram of the n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN heterojunction LED under the operation of forward-biasing condition.（d）A set of CIE-1931 color coordinates converted from the obtained EL spectra. Inset：the enlarged area of the color coordinates for the single MW yellow LED by varying the input current of 0.3-5.7 mA. The coordinate of the red pentacle is the color coordinate of pure yellow light-emitting according to the Rec. 2020 standard.（e）Variation of the ηREQE as a function of various injection current.（f）Time-dependent EL intensity of the n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN LED measured at the input current of 1.6 mA and 2.0 mA，respectively. The as-fabricated devices are in storage in the lab via indoor air environment for about 12-month.

根據(jù)n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的EL 光譜，可以計算出制備的單根ZnO∶Ga微米線異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件在不同注入電流下的色坐標(biāo)，如圖5（d）所示。從色坐標(biāo)圖像可以看出，隨著注入電流的增加（0.3 mA 增加到5.7 mA），該n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的色坐標(biāo)（x,y）值 在（0.506 2，0.490 6）和（0.536 1，0.457 7）小范圍內(nèi)輕微變化，屬于標(biāo)準(zhǔn)的黃光色域范圍[38-39]。該結(jié)果與實驗上測得的發(fā)光光譜和發(fā)光視頻結(jié)果基本一致，進(jìn)一步證明了制備的異質(zhì)結(jié)LED 為黃光發(fā)射。

為了更好地證明器件在高電流下的穩(wěn)定性和發(fā)光性能，我們引入了器件的外量子效率（ηEQE），計算公式為其中Nout表示器件工作時發(fā)射的光子數(shù)，Nin表示注入器件的電子數(shù)，e、?、c、I分別對應(yīng)元電荷、普朗克常數(shù)、光速和工作電流，Iλ為特定波長下光子的總能量。在本工作中，我們制備的n-ZnO∶Ga MW/p-In-GaN 異質(zhì)結(jié)器件沒有進(jìn)行任何封裝處理，不能采用積分球采集器件的發(fā)光功率，無法具體量化器件發(fā)光功率與注入電流之間的變化關(guān)系。因此，我們無法通過常規(guī)的方式測量出異質(zhì)結(jié)器件的外量子效率的確切值?？紤]到ηEQE公式中e、?和c為常數(shù)，我們采用相對外量子效率來體現(xiàn)ηEQE的變化趨勢，Ia表示特定波長下光譜儀接收到的光子能量[39-40]。本文中用電致發(fā)光光譜的積分強(qiáng)度與注入電流比值等效表示ηREQE。

圖5（e）為器件的ηREQE與注入電流（0.3～5.7 mA）之間的變化關(guān)系。當(dāng)注入電流較低時，ηREQE隨注入電流的增加而急劇上升；當(dāng)注入電流增加到1.0 mA 時，ηREQE達(dá)到最大值；隨著注入電流的繼續(xù)增加，ηREQE呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。在注入電流為1.0～5.7 mA 范圍內(nèi)，器件的ηREQE最大下降率為9%，與之前報道的傳統(tǒng)黃光LED 相比較，本文制備的InGaN 基黃光LED 在較高注入電流下ηREQE下降率相對較低。這表明，我們構(gòu)筑的LED 具有較好的穩(wěn)定性和發(fā)光效率，同時也反映出ZnO∶Ga 微米線的高結(jié)晶質(zhì)量能從一定程度上改善異質(zhì)結(jié)器件的輻射復(fù)合效率。另外，在室溫環(huán)境和室內(nèi)相對濕度為20%～50%的測試條件下，我們對制備的n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN異質(zhì)結(jié)器件不做任何封裝處理，保持器件的注入電流為1.6 mA 和2.0 mA，通過長時間不間斷地監(jiān)測器件的發(fā)光強(qiáng)度，對器件的發(fā)光穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。圖5（f）為異質(zhì)結(jié)器件在實驗室環(huán)境中存儲12 個月后的發(fā)光強(qiáng)度與存儲時間之間的變化關(guān)系。結(jié)果表明，在常溫環(huán)境中存儲12 個月，器件的電致發(fā)光強(qiáng)度變化很小，且電致發(fā)光光譜譜線基本不變。這說明器件具有較好的常溫穩(wěn)定性。此外，我們對不同尺寸和形貌的單根ZnO∶Ga 微米線結(jié)合p-InGaN 襯底制備的黃光發(fā)光二極管也進(jìn)行了測試，結(jié)果表明除了發(fā)光峰位有稍許的移動外，器件發(fā)光特征參數(shù)仍屬于標(biāo)準(zhǔn)的黃光發(fā)光。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合單根ZnO∶Ga 微米線和p 型InGaN 襯底實現(xiàn)了n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 低維黃光發(fā)光二極管。在正向驅(qū)動電流注入下，器件的發(fā)光中心波長始終位于580 nm 附近，光譜半峰寬約為50 nm，相應(yīng)的色坐標(biāo)位于黃色色域，且色坐標(biāo)值隨注入電流的增加變化幅度較小，表明我們制備的n-ZnO∶Ga MW/p-InGaN 黃光發(fā)光二極管較為穩(wěn)定。本工作利用ZnO 低維微納結(jié)構(gòu)結(jié)合p型InGaN 襯底構(gòu)筑了低維可見光發(fā)光器件，為micro-LED 和nano-LED 的可見光發(fā)射器件的設(shè)計和發(fā)展提供了新思路。

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