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目 录

1.引言 1

2 ZnO的基本特性 2

2.1ZnO的发展历史、近况和前景 2

2.2 ZnO的性质和用途 3

2.3 ZnO的特性 3

2.3.1 透明电极材料 3

2.3.2 透明导电材料 3

2.3.3 紫外光探测器 3

2.3.4 透明薄膜晶体管 4

2.3.5 表面声波器件 4

2.3.6 压敏电阻材料 4

2.3.7 压电薄膜 4

3 MgZnO的基本特性 4

3.1 MgO的基本特性 4

3.2 MgZnO的发展历史、近况和前景 4

3.3 MgZnO的性质和用途 5

3.4 MgZnO与MgO的联系 5

3.4.1 ZnO/MgZnO的异质结 6

3.4.2 ZnO/MgZnO超晶格 6

3.4.3 ZnO/MgZnO多量子阱 6

4 LED的发展历史、近况和前景 6

4.1 LED的特点 6

4.2 LED发光原理 7

4.2.1 P-N结 8

4.2.2 同质结与异质结 8

4.2.3 费米能级 9

4.2.4 发光波段 9

4.3 紫外LED的特点 9

5 comsol的模拟 10

5.1 数据的来源及分析 10

5.2comsol软件特点 10

5.3模拟结果及分析 10

6.总结与展望 14

参考文献： 14

MgZnO紫外Led的电致发光特性

闫晴

，China

Abstract：MgZnO is a semiconductor material which is solid solution by MgO and ZnO. ZnMgO can adjust the band gap of 3.3-4.0eV when the six wurtzite structure is unchanged. It has the advantages of high transmittance, high strength, radiation resistance and high temperature resistance. At the same time, it is also a kind of excellent ultraviolet luminescent material. These excellent properties have aroused people's attention, which has caused the research of this kind of semiconductor. Light emitting diode (LED) is a kind of device which can convert electrical energy into light radiation energy. It has many advantages, such as good luminescence characteristics, high photon energy, good stability, low consumption and high stability, light color adjustable, small volume efficiency and so on. In recent years, the development of LED industry has brought about significant economic benefits. In this paper, MgZnO is used as the electroluminescent characteristic of ultraviolet LED in the light emitting layer. The electroluminescent characteristics of MgZnO's UV LED are simulated by physical modeling software COMSOL, and the current voltage characteristics and the distribution of the luminescent region are obtained.

Key words：MgZnO；LED luminescence characteristics; light-emitting diode; COMSOL modeling

1.引言

发光二极管是一种可以将电能转化为光辐射能的器件，它的优点很多，如发光特性好，光子能量高，稳定性好，低耗高稳，光色可调整，体积小效率高等等。广泛用于交通，照明，杀菌消毒，城市生活等各个方面。相比较传统紫外光源，已经有了相当大的进步。由于广泛的实用性和商业价值，国内外对于紫外LED的发光特性也在不断地深入，国外对于发光二极管的研究也从可见向紫外段波段转移，应用于军事，医疗科研等高科技产业。其中所蕴含的商业价值引发了巨大的产业产值，从开始刚开始发展到如今，国内外每年的产业产值都在快速增加。现如今国内对于紫外LED的研究也是越来越重视，企业愿意斥巨资投入研发，在封装工艺和发光材料等方面做了一次又一次不同的尝试，无论是企业还是科研方面都青睐于紫外LED的研发，致力于研发出更稳定的紫外发光二极管，由于不断地发展和研究，我国现阶段取得了很大的进步和成效，但对于国外的技术还有一定的差距，但我我们还是有理由相信，紫外LED产业会维持这研究热点，并且得到越来越好的发展。

ZnO是一种宽禁带的N型半导体材料，因为其优秀的物理性质和低廉的价格被广泛应用，并深受人们的喜爱。ZnO是一种六方纤矿结构的晶体，具有光电，压电，介电及晶格特性优异的特点，因其优秀的发光特性而被广泛被应用于光电领域。ZnO是一种十分典型的发光材料，它在短波长发光光源方面（包括蓝绿光，紫外光等）具有明显优势。随着科技的发展，其制作工艺也日渐丰富，比如金属有机化合物化学气相沉积法，脉冲激光沉积法，热解喷涂法，溅射法等。每种制备方法都有其自己的优缺点，同时也会影响到ZnO薄膜晶粒的大小。但是，这种材料也具有一定的局限性，它的禁带宽度固定不可调节。人们对ZnO的研究已经有很多，各方面性质已经有了很多的研究，但是并未止于此，不断有人尝试P型ZnO的研究，并且致力于制作出薄膜形态更好的晶体。

薄膜在实际的运用中，可能会用到其它的禁带宽度，但又想保留它的晶体结构，晶体常数，构成异质结，多量子和超晶格，这样不仅可以极大的提高发光效率，而且还能对其发光特性进行调节。经过大量科学研究和实验发现，MgxZn1-xO(以下简写为MgZnO)三元合金可以达到以上的要求。 MgZnO 晶体薄膜作为一种新兴的光电材料, 引起人们的浓厚兴趣^[1]。MgZnO是由ZnO与MgO按一定组分固溶而成的一种半导体材料，由于其优秀的性能，引起了国内外很多高校的广泛研究，也提出了多种制备方法和详细的晶体特性。可以用沉积MgZnO合金薄膜的技术来制备，包括脉冲激光沉积法（PLD）、金属有机气相外延法（MOVPE或MOCVD）、分子束外延法(MBE)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)、电泳沉积法(EPD)、溅射法等。这种材料的带隙可以通过改变ZnO和MgO的比例进行调节，理论上可以实现在3.3到7.9eV之间进行调节。但是实际操作中由于技术限制并不能实现这么宽范围的禁带宽度的调节。并且将这种材料直接作为紫外发光材料，这就是本文中要仔细研究的事情。

本文运用物理建模的comsol软件去模拟这种发光特性并且得到了一些MgZnO紫外LED的电致发光的特性，在发光范围、量子发光效率、V-I特性、及模拟误差度进行了分析。

2 ZnO的基本特性

2.1 ZnO的发展历史、近况和前景

ZnO薄膜有强的自发辐射和受激辐射,很多科学家已经用不同的方法制备ZnO薄膜，随着 ZnO 薄膜的制备技术日益完善^[2],不进如此，人们对于ZnO薄膜的物理性质也十分关注，由于科学的发展，人们对ZnO 薄膜的晶体结构、不同生长条件下的生长出的ZnO薄膜的特点、光学性质、电学性质等方面的研究已经日趋成熟。

作为ZnO研究的开端第一篇关于ZnO光泵浦紫外激射的论文被报道之后，ZnO薄膜的制备和性质就引起科学界的关注，同年就已经有多篇关于ZnO薄膜外激射的论文报道，对ZnO薄膜的生长条件也进行了不断优化 ,对其光学性质的影响也进行了更加深入的探索^[3]。对于ZnO薄膜性质已经诸多成效，但依旧未停止对于ZnO的深入了解，之后的Science又报道了一种可以利用ZnO纳米制作的世界上最小的紫外纳米激光器，它的研制成功是激光器发展史上的里程碑-它掀开了纳米激光器发展的新篇章。

ZnO行业近年来发展迅速。从经济效益来看，十几年前，生产ZnO的企业并不多见，但是随着现在经济的发展，再加上ZnO的用途不断地被发现，ZnO在国内需求量不断地增加，推动了我国ZnO产业的高速的发展。现如今，ZnO主要被用于一些与人类生活息息相关的产业制造，我国汽车制造工业、信息时代下的电力电网、高速公路、以及家电、数字通信等行业，这些行业的高速发展带来巨大市场潜力和经济效益，也引发了ZnO行业的高速发展。从科研方面来看，人们已经不满足于当前的研究结果，不断探求新的方法去得到结晶质量更好的ZnO薄膜，并且研制具有好的性质的P型ZnO。在这些方面虽然都已经初见成效，但还远远不够，因此科研方面还有极大的可能性和广阔的前景。我们可以推断，ZnO的经济效益依然会逐年增长；关于ZnO个方面性质的研究也会越来越丰富，发现更多ZnO以前未能发现的优秀性质；ZnO薄膜的制备工艺也会越来越丰富多变。

2.2 ZnO的性质和用途

ZnO是一种常见的N型半导体材料（虽然说也可以制备P型掺杂的半导体但是由于ZnO晶体本身就有诸多缺陷，如氧空位、锌空位、反位氧、反位锌、间隙氧、间隙锌等本征施主缺陷，严格限制着P型ZnO半导体的发展）^[4]，它的禁带宽较宽，可以达到达到3.37eV，与此同时作为一种具有大激子结合能的材料，其结合能达到60eV。ZnO薄膜具有优秀的c轴择优取向性，同时也具备声光性质好，光学系数非线性，电光、压电、介电常数好、压电常数大，晶格特性好，在可见光波段的折射率大，原料成本较低等优点，并且广泛被应用于光电领域。它的光透率在可见光的任何波段都高达90%，是一种理想的透明导电膜。ZnO是一种很常见的发光材料，广泛用于各种光学器件之中，它在短波长的发光源材料中具有明显的优势（如蓝紫光、紫外光等短波波长光源）。广泛应用于各种光学器件中如十分常见的紫外探测器、发光二极管和表面声波器材、激光器件和气体传感器、太阳能电池及缓冲层等高科技产品^[5]。从各个方面来看，都具有很宽广的发展空间和前景，符合现代科学对半导体材料研究的要求。ZnO薄膜的制作工艺也随着科技发展越来越丰富，比如脉冲激光沉积（PLD）、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD），分子束外延（MBE）、原子层外延（ALE）、金属有机化合物化学气相沉积（CVD），脉冲激光沉积，热解喷涂，溅射等。每种制备方法都有其优点和不足，同时也会影响到ZnO薄膜晶粒的大小、薄膜平整度甚至于一些物理特性。

ZnO通常来讲有三种不同的晶体结构：立方岩盐矿结构、闪锌矿结构和六角纤锌矿结构；由于立方岩盐矿结构、闪锌矿结构能量较高且不稳定，立方岩盐矿结构能量最低且稳定，因而导致六角纤锌矿的结构最为常见，因此当提到ZnO晶体时，一般会形容其为六方纤锌矿结构的晶体（如下图一所示）。

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