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光电探测及信息显示技术是实现信息传输、信息处理和信息转换的关键性技术。基于无机光探测器及有机发光二极管的新型光上转换器件在军事及民用领域都具有潜在的应用前景,设计并优化器件结构及生长条件,摸索器件制备工艺,开发新型的有机-无机界面功能材料,以及进一步加深对有机-无机界面处载流子输运过程的基础认识是本论文工作的重点。
本论文主要利用MBE和OMBD两种设备,以及半导体工艺技术分别制作近红外无机光探测结构和有机发光二极管结构,将二者有效集成出一种新型无机-有机复合光上转换器件,并且自行设计和搭建了一套可以实现多种测试的光上转换器件测试平台,在此基础上测试器件的各项性能,分析实验数据,探讨这类新型近红外光到可见光上转换器件的工作机理。主要成果如下:
1.从理论计算入手,通过若干合理假设,利用软件Mathematica编写求解GaAs/InGaAs单量子阱有限深势阱的波函数方程,由此设计出近红外光上转换器的GaAs/InGaAs多量了阱的无机探测器结构。
参考计算结果,利用MBE方法在N-GaAs衬底上生长GaAs/InGaAs多量了阱的外延片,通过双晶x射线衍射、光致荧光光谱和原子力显微镜图像等分析手段,推算出量子阱结构中In的组分,势垒与势阱的厚度,实验结果与理论计算结果较为吻合。
2.设计出两种新型空穴注入结构(MoO3:PTCDA和MoO3:CuPc),研究它们在有机电致发光器件的作用,分析空穴注入层的掺杂比例、厚度等参数对提高器件性能的关系,从中优选光上转换器件的有机-无机界面层材料。结果表明,在ITO/MoO3:PTCDA空穴注入结构中,20 wt％MoO3:PTCDA(10nm)的结构具有最好的空穴注入能力及载流子平衡能力；在ITO/MoO3:CuPc空穴注入结构的有机电致发光器件中,50 V％MoO3:CuPc的结构具有最好的空穴注入能力及载流子平衡能力。通过对掺杂薄膜紫外-可见吸收光谱的分析,我们认为这两种空穴注入结构中形成了电荷转移产物在器件性能的提高上扮演了至关重要的角色。
3.通过摸索合适的光上转换器件制备工艺过程、生长出基于GaAs/InGaAs多量子阱探测结构及有机发光二极管的上转换器件,并在自行设计搭建的光电测试平台上测试器件的光电性能,成功地实现将980 nm的红外光转换为528 nm的绿光。在研究了不同有机-无机复合结构对上转换器件性能的影响后,得到MoO3:CuPc的掺杂结构依然可以在上转换器件中改善界面处空穴的注入,但由于界面处空穴注入效率过低,使得高电压下空穴注入性能提高的影响被弱化。最后,计算得出的上转换器能量上转换效率为0.08％,通过对器件测试的数据进行分析,提出了若干个提高器件上转换效率的实验途径。