研究背景
发光二极管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. 37eV；然而其激子结合能高达60 meV，远大于室温热能(26meV)，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。现有的研究中，合适的电子阻挡层可以有效地阻断界面发射，但是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，从而讨论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了，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。
相关研究可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”为题被Opto-Electronic Advances期刊接收。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，李竹新以及青年教师石增良博士，通讯作者为徐春祥教授。
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1mA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）0nm；（d）5.03nm；（e）8.79nm；（f）12.55nm；（g）图4（b）；（h）中光谱的色度坐标，图4（c）至（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