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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