CN100433475C - 一种ZnO基量子点激光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的ZnO基量子点激光二极管是以ZnO为基,在衬底的一面自下而上依次沉积n-ZnO薄膜层、n-Zn1-xMgxO薄膜层、第一ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层、ZnO量子点有源层、第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层、p-Zn1-xMgxO薄膜层、p-ZnO薄膜层以及第一电极,在衬底的另一面沉积第二电极;其中的ZnO量子点有源层由嵌于ZnO/Zn1-zMgzO量子阱层的ZnO量子点构成。本发明的激光二极管以ZnO量子点作为有源层,发光效率高;ZnMgO的晶格常数与ZnO相匹配,容易实现符合设计要求的布拉格反射镜,提高激光二极管的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光二极管及其制备方法,尤其是ZnO基量子点激光二极管及其制备方法。
背景技术
ZnO室温下禁带宽度为3.37eV,并且具有高达60meV的激子束缚能,远高于其他宽禁带半导体材料,可以实现室温或更高温度下的激子-激子碰撞的受激辐射,是制备室温低阈值紫外半导体激光器的理想材料。目前,p-ZnO薄膜和ZnO LED的制备都取得了重大进展,为ZnO基激光二极管的实现拓宽了道路。
由于三维量子限制效应,ZnO量子点中的禁带宽度会增加,激子振动强度和激子束缚能会进一步提高,因而可以大大提高发光效率。另外,量子点采用自组装生长机理,具有更好的结晶质量,发光性能比体材料更好。并且量子点的尺寸可调,从而可以调节出射激光的波长。
发明内容
本发明的目的是为半导体激光二极管增加新的品种,而提供一种ZnO基量子点激光二极管及其制备方法。
本发明的ZnO基量子点激光二极管是以ZnO为基,在衬底的一面自下而上依次沉积n-ZnO薄膜层,n-Zn1-xMgxO薄膜层、0<X<0.5,第一ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层、0<y<1,ZnO量子点有源层,第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层、0<y<1,p-Zn1-xMgxO薄膜层、0<X<0.5,p-ZnO薄膜层以及第一电极,在衬底的另一面沉积第二电极;其中ZnO量子点有源层由3~5个周期嵌于ZnO/Zn1-zMgzO量子阱层的ZnO量子点构成,0<z<0.6,每个周期包括:ZnO势阱层、生长在ZnO势阱层上的ZnO量子点层和生长在ZnO量子点层上的Zn1 -zMgzO势垒层;所说的第一ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层和第二ZnO/Zn1 -yMgyO分布布拉格反射层分别由ZnO层和Zn1-yMgyO层交替沉积m个周期构成、0<y<1、m=5~30。
本发明中,所说的第一和第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层为由ZnO层和Zn1-yMgyO层交替沉积m个周期构成的多层结构,周期数m的取值条件为使反射层总的反射率达到最大值并使m值尽可能小,以简化工艺并减少多层引起的缺陷;其中的ZnO层和Zn1-yMgyO层的厚度分别为λ/(4n),λ为ZnO/Zn1 -yMgyO分布布拉格反射层的中心反射波长,n为ZnO层和Zn1-yMgyO层各自在中心波长处对应的折射率。中心反射波长λ一般为360~370nm。
本发明中,所说的有源层中ZnO量子点的尺寸为5~20nm。衬底可采用氧化锌或硅。第一电极和第二电极均可采用Au或者Ti/Au合金。
ZnO基量子点激光二极管的制备方法,依次包括如下步骤:
将衬底1表面清洗后放入金属有机化学沉积系统的生长室中,生长室抽真空至10-4pa,加热衬底至200~600℃,输入有机锌源、氧气,在衬底上沉积n-ZnO薄膜层2;通入有机锌源、镁源、氧气,在n-ZnO薄膜层2上沉积n-Zn1-xMgxO薄膜层3、0<X<0.5;交替通入有机锌源、氧气以及有机锌源、镁源、氧气,沉积ZnO层a和Zn1-yMgyO层b,0<y<1,以形成5~30个周期的第一ZnO/Zn1- yMgyO分布布拉格反射层4;接着沉积3~5个周期ZnO势阱层5-1、ZnO量子点层5-2和Zn1-zMgzO势垒层5-3,0<z<0.6,以形成量子点有源层5;再交替通入有机锌源、氧气以及有机锌源、镁源、氧气,沉积ZnO层a和Zn1-yMgyO层b,0<y<1,以形成5~30个周期的第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层6;然后通入有机锌源、镁源,同时通入NO或者N2O作为氮源和氧源,在第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层6上生长p-Zn1-xMgxO薄膜层7、0<x<0.5;再以NO或者N2O作为氮源和氧源在p-Zn1-xMgxO薄膜层7上生长p-ZnO薄膜层8;接着在p-ZnO薄膜层8上沉积第一电极9,在衬底的另一面沉积第二电极10。
本发明的ZnO基量子点激光二极管的有益效果在于:
1)、镶嵌在量子阱中的量子点作为有源层,有助于提高载流子捕获和防止量子点中载流子的热逃逸,发光效率高;
2)、ZnO、Zn1-yMgyO晶格失配小,分布布拉格反射层反射效率高;
3)、通过对量子点尺寸的调节可以得到不同波长的激光,并且根据出射激光波长来设计相应的布拉格反射层厚度,以达到最高的反射效率。
附图说明
图1是本发明ZnO基量子点激光器的结构示意图;
图2是ZnO量子点有源层结构示意图;
图3是布拉格反射层结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例进一步说明本发明。
参照图1,本发明的ZnO基量子点激光二极管,在衬底1的一面自下而上依次沉积n-ZnO薄膜层2,n-Zn1-xMgxO薄膜层3、0<X<0.5,第一ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层4、0<y<1,ZnO量子点有源层5,第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层6、0<y<1,p-Zn1-xMgxO薄膜层7、0<X<0.5,p-ZnO薄膜层8以及第一电极9,在衬底的另一面沉积第二电极10;其中ZnO量子点有源层5如图2所示,由3~5个周期嵌于ZnO/Zn1-zMgzO量子阱层的ZnO量子点构成,0<z<0.6,每个周期包括:ZnO势阱层5-1、生长在ZnO势阱层5-1上的ZnO量子点层5-2和生长在ZnO量子点层5-2上的Zn1-zMgzO势垒层5-3;所说的第一ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层4和第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层6如图3所示,分别由ZnO层a和Zn1-yMgyO层b交替沉积m个周期构成、0<y<1、m=5-30。
实施例:
采用MOCVD技术,以NO作为p型掺杂的氮源和氧源。有机源的流量按照合金的摩尔比通入。以Au作为n型和p型接触电极。具体生长步骤为:将表面清洁的氧化锌衬底1放入金属有机化学沉积系统的生长室中,生长室抽真空至10-4Pa,加热衬底至400℃,输入有机锌源、氧气,有机锌源与氧气的摩尔比为1∶1,在衬底上沉积一层300nm厚的n-ZnO薄膜层2;通入有机锌源、镁源、氧气,有机锌源∶镁源∶氧气的摩尔比为9∶1∶10,在n-ZnO薄膜层2上沉积n-Zn0.9Mg0.1O薄膜层3,厚度为1μm;交替通入摩尔比为1∶1的有机锌源、氧气以及摩尔比为71∶29∶100的有机锌源、镁源、氧气,沉积一层46nm厚的ZnO层a和一层48nm厚的Zn0.71Mg0.29O层b,以形成18个周期的第一ZnO/Zn0.71Mg0.29O分布布拉格反射层4;接着沉积3个周期ZnO势阱层5-1、ZnO量子点层5-2和Zn0.9Mg0.1O势垒层5-3,以形成量子点有源层5,量子点的平均尺寸为10nm;再以与第一ZnO/Zn0.71Mg0.29O分布布拉格反射层4相同的生长条件沉积第二ZnO/Zn0.71Mg0.29O分布布拉格反射层6;然后通入有机锌源、镁源,同时通入NO作为氮源和氧源,在第二ZnO/Zn0.71Mg0.29O分布布拉格反射层6上生长p-Zn0.9Mg0.1O薄膜层7;再以NO作为氮源和氧源在p-Zn0.9Mg0.1O薄膜层7上生长p-ZnO薄膜层8;接着在p-ZnO薄膜层8上沉积Au作为第一电极9,在衬底的另一面沉积Au作为第二电极10。本例制备的激光二极管的发射波长为368nm。
Claims (7)
1.一种ZnO基量子点激光二极管,其特征是以ZnO为基,在衬底(1)的一面自下而上依次沉积n-ZnO薄膜层(2),n-Zn1-xMgxO薄膜层(3)、0<x<0.5,第一ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层(4)、0<y<1,ZnO量子点有源层(5),第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层(6)、0<y<1,p-Zn1-xMgxO薄膜层(7)、0<x<0.5,p-ZnO薄膜层(8)以及第一电极(9),在衬底的另一面沉积第二电极(10);其中ZnO量子点有源层(5)由3~5个周期嵌于ZnO/Zn1-zMgzO量子阱层的ZnO量子点构成,0<z<0.6,每个周期包括:ZnO势阱层(5-1)、生长在ZnO势阱层(5-1)上的ZnO量子点层(5-2)和生长在ZnO量子点层(5-2)上的Zn1-zMgzO势垒层(5-3);所说的第一ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层(4)和第二ZnO/Zn1 -yMgyO分布布拉格反射层(6)分别由ZnO层(a)和Zn1-yMgyO层(b)交替沉积m个周期构成、0<y<1、m=5~30。
2.根据权利要求1所述的ZnO基量子点激光二极管,其特征是第一ZnO/Zn1 -yMgyO分布布拉格反射层(4)和第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层(6)中的ZnO层(a)和Zn1-yMgyO层(b)的厚度分别为λ/(4n),λ为ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层的中心反射波长,n为ZnO层(a)和Zn1-yMgyO层(b)各自在中心波长处对应的折射率。
3.根据权利要求2所述的ZnO基量子点激光二极管,其特征是所说的中心反射波长λ为360~370nm。
4.根据权利要求1所述的ZnO基量子点激光二极管,其特征是衬底为氧化锌或硅。
5.根据权利要求1所述的ZnO基量子点激光二极管,其特征是ZnO量子点有源层(5)中ZnO量子点的尺寸为5~20nm。
6.根据权利要求1所述的ZnO基量子点激光二极管,其特征是第一电极(9)和第二电极(10)为Au或者Ti/Au合金。
7.权利要求1所述的ZnO基量子点激光二极管的制备方法,依次包括如下步骤:
将衬底(1)表面清洗后放入金属有机化学沉积系统的生长室中,生长室抽真空至10-4Pa,加热衬底至200~600℃,输入有机锌源、氧气,在衬底上沉积n-ZnO薄膜层(2);通入有机锌源、镁源、氧气,在n-ZnO薄膜层(2)上沉积n-Zn1-xMgxO薄膜层(3)、0<x<0.5;交替通入有机锌源、氧气以及有机锌源、镁源、氧气,沉积ZnO层(a)和Zn1-yMgyO层(b),0<y<1,以形成5~30个周期的第一ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层(4);接着沉积3~5个周期ZnO势阱层(5-1)、ZnO量子点层(5-2)和Zn1-zMgzO势垒层(5-3),0<z<0.6,以形成量子点有源层(5);再交替通入有机锌源、氧气以及有机锌源、镁源、氧气,沉积ZnO层(a)和Zn1-yMgyO层(b),0<y<1,以形成5~30个周期的第二ZnO/Zn1 -yMgyO分布布拉格反射层(6);然后通入有机锌源、镁源,同时通入NO或者N2O作为氮源和氧源,在第二ZnO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射层(6)上生长p-Zn1-xMgxO薄膜层(7)、0<x<0.5;再以NO或者N2O作为氮源和氧源在p-Zn1-xMgxO薄膜层(7)上生长p-ZnO薄膜层(8);接着在p-ZnO薄膜层(8)上沉积第一电极(9),在衬底的另一面沉积第二电极(10)。
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