CN101588021A - 一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器,在硅衬底的正面自下而上依次生长ZnO薄膜、ZnO纳米棒阵列、SiO2薄膜和半透明电极,在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。本发明还公开了该电抽运随机激光器的制备方法:用磁控溅射法在清洗后的n型硅片上生长ZnO薄膜;采用化学水浴沉积法在ZnO薄膜上生长ZnO纳米棒阵列并在空气气氛下进行热处理;用溶胶-凝胶法在ZnO纳米棒阵列上生长SiO2薄膜;在SiO2薄膜上溅射半透明电极,在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。本发明的硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器结构简单,在足够的正向偏压(Si接负极)下可以获得来自于ZnO纳米棒阵列的紫外电抽运随机激光。

Description

一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器
技术领域
本发明涉及一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器。
背景技术
氧化锌(ZnO)是一种宽禁带化合物半导体材料,在室温下具有3.37eV的直接带隙和高达60meV的激子束缚能,有望成为短波长发光器件的基础材料。自从2001年报道了ZnO纳米线的室温光抽运紫外激光器,人们对ZnO纳米激光器件的研究产生了浓厚的兴趣。至今为止,人们已经获得了几乎所有微米和纳米结构ZnO的常温光抽运激光。
但是光抽运激光器还不足以应用于实际,因此,研究ZnO电抽运激光器是非常有理论价值和应用价值的工作。关于ZnO电抽运激光(无论是常规激光还是随机激光)的报道还非常少,并且,已有的报道在器件结构和工艺上都存在一定的不足,如果可以用相对简单的方法来实现ZnO电抽运激光(尤其是实现硅基电抽运激光)是有着非常重要的意义的。
而在硅基ZnO激光方面,07年马向阳等(X Y Ma,P L Chen,D S Li,et al.,lectrically pumped ZnO film ultraviolet random lasers on silicon substrate,Appl.Phys.Lett.,2007,91:251109)在Si衬底上制备了Au/SiOx(x<2)/ZnO的MIS器件,并在加足够大的正向偏压下(Si侧接负极)首次发现了ZnO薄膜的电致紫外随机激光。其特征是在硅衬底的正面自下而上依次生长有ZnO薄膜、SiO2薄膜和半透明电极,在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。08年Chu等人(S Chu,M Olmedo,Z Yang,et al.,Electrically pumped ultraviolet ZnO diodelasers on Si,Appl.Phys.Lett.,2008,93:181106)在n型硅衬底上首先沉积一薄层MgO作为缓冲层,然后在上面通过掺Ga和Sb的方式制备p-n结,而p层和n层之间还沉积有MgZnO/ZnO/MgZnO的量子阱结构,之后再用Au/NiO和Au/Ti作电极。
相比Chu等人的成果,马向阳等人制备的硅基ZnO随机激光器件结构更加简单,而且工艺也更容易控制。通过进一步分析可以知道,在ZnO薄膜的MIS器件中,光增益主要发生在ZnO与SiO2的界面上,并且是通过晶界散射形成随机谐振腔来获得的。通过增加空间折射率差(nr)可以有效增强光的散射,有可能提高随机激光的强度和降低阈值电压。然而,对于ZnO薄膜,很难增加它的nr
发明内容
本发明提供一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器,ZnO纳米棒阵列相对于ZnO薄膜更有利于增强光散射,从而提高随机激光的强度和降低阈值电压。
本发明的硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器,在硅衬底的正面自下而上依次生长有ZnO薄膜、ZnO纳米棒阵列、SiO2薄膜和半透明电极,在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。
所述的ZnO薄膜作为籽晶层,是为较好生长ZnO纳米棒阵列而沉积的,取向性和晶体质量较好的ZnO薄膜更有利于ZnO纳米棒阵列的生长。
所述的ZnO纳米棒阵列生长方向大致垂直于硅衬底的正面,纳米棒结构越交错,越不利于获得随机激光。ZnO纳米棒阵列的厚度对器件的电阻率有一定影响(越长,电阻率相对较大),因而会对阈值电压有一定影响,但是因为不同批次制备的纳米棒大小分布和质量不全一样,因此厚度的影响并没有很大规律性。相反,由于发光只发生在SiO2与纳米棒阵列的界面处,所以纳米棒的长度一致性对器件影响较大,因此纳米棒的长度越一致越好。
所述的半透明电极为现有技术中的半透明Au电极。
相比ZnO薄膜,ZnO纳米阵列晶粒间存在一定的空隙,可以通过填充不同折射率的材料来较容易地调整nr。因此,ZnO纳米棒阵列相对于ZnO薄膜更有可能增强光散射。ZnO纳米棒和渗透进来的SiO2在垂直于纳米棒的平面上构成一个无序网络,而ZnO和SiO2之间存在的折射率差正好可以促进光的散射。
本发明的硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器的制备方法,包括以下步骤:
1)利用磁控溅射法在清洗后的n型硅片(作为硅衬底)上沉积ZnO薄膜,作为生长ZnO纳米棒阵列的籽晶层;
2)采用化学水浴沉积法在ZnO薄膜籽晶层上生长ZnO纳米棒阵列,然后在空气氛下热处理;
3)用溶胶-凝胶法在ZnO纳米棒阵列上生长SiO2薄膜;
4)在SiO2薄膜上溅射半透明电极,在硅衬底背面溅射欧姆接触电极,可采用现有技术中通用的欧姆接触电极。
上述制备方法中各步骤具体可以按如下方式进行:
步骤1)中所说的磁控溅射法可采用常规方法,采用纯Zn片作为靶材,在真空的腔体内通入高纯Ar和O2气体,O2和Ar的流量比为1∶2-3∶1,腔体内的工作气压为5-15Pa;溅射时,功率为100-160W;
通过改变沉积温度、溅射功率、O2和Ar的流量比以及工作压强,可以调节ZnO籽晶层的晶体质量和厚度。作为优选,沉积温度(溅射温度)为100-600℃,溅射时温度如果较低,比如室温下溅射的ZnO薄膜生长的纳米棒是交错的,不利于生长垂直于硅片的纳米棒,这样的纳米棒结构将无法获得随机激光。
步骤2)中所说的化学水浴沉积法可采用常规方法,具体过程如下:配置一定浓度的硝酸锌(以此作为Zn源)和六次甲基四胺(C6H12N4)的水溶液,其中Zn(NO3)2和C6H12N4的摩尔比为1∶1,将长有ZnO薄膜籽晶层的Si片竖直放置在上述溶液中,在一定的水浴温度(20-90℃)下静置1-5h。样品从溶液中取出后,置于去离子水中漂洗,以去除附着在表面的沉积物,然后在空气氛下于700℃热处理。
Zn源浓度最优在0.005mol/L-0.1mol/L,浓度过稀,生长的纳米棒长度参差不齐,随机激光的尖锐峰的数量较少和强度较弱,该浓度范围内ZnO纳米棒阵列生长的长度较为一致均匀。。
步骤3)中所说的溶胶-凝胶法可采用常规方法,在已经制备好的ZnO纳米棒阵列上旋涂硅溶胶。硅溶胶可以是将正硅酸乙酯、乙醇以及稀HNO3(作为催化剂并调节pH=2)混合,制备得到。旋途转速为1000-3000转/分钟,时间为5-60秒。然后在60℃下烘干,再在空气气氛下热处理。
热处理温度和工艺对膜质量有一定影响,膜质量不好,缺陷态,将可能无法产生随机激光,因此热处理最优温度为500-700℃热处理,退火时升温速率控制在1-20℃/min。
本发明的有益效果在于:
该硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器成功实现了硅基ZnO纳米棒阵列的电抽运随机激光,器件结构简单、制备工艺成熟、重复性较好。并且因为ZnO纳米阵列晶粒间存在一定的空隙,可以通过填充不同折射率的材料来较容易地调整折射率差来增强光散射,进而降低阈值电压,目前现有器件的阈值电压一般在10V左右,在长有纳米棒阵列以后,阈值电压可降到5V左右。
附图说明
图1是硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器的结构示意图。
图2是硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器在不同的正向偏压下的EL谱。
具体实施方式
如图1所示,一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器,在硅衬底1的正面自下而上依次生长有ZnO薄膜2、ZnO纳米棒阵列3、SiO2薄膜4和半透明电极5,在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极6。
采取如下工艺步骤制备图1所示的电抽运随机激光器:
1)清洗n型、电阻率为0.005欧姆·厘米、大小为15×15mm2、厚度为525微米的硅片,然后放入磁控溅射装置的腔体中,采用纯度为99.99%的Zn片作为靶材,靶材与衬底的距离为7cm;先将腔体的真空度抽至5×10-3Pa以下,然后通入高纯Ar和O2气体,O2和Ar的流量比为1∶2,将腔体内的工作气压控制为10Pa;溅射时,功率约为120W,沉积温度为300℃;溅射时间为30min。
2)采用化学水浴沉积法在ZnO薄膜籽晶层上生长ZnO纳米棒阵列,具体过程如下:配置硝酸锌(以此作为Zn源)和六次甲基四胺(C6H12N4)的水溶液,其中Zn(NO3)2和C6H12N4的摩尔比为1∶1,Zn源的浓度为0.03mol/L。将长有ZnO薄膜籽晶层的Si片竖直放置在上述溶液中,在90℃水浴下静置2h。样品从溶液中取出后,置于去离子水中漂洗,以去除附着在表面的沉积物。然后在空气氛下于700℃热处理2小时。
3)将3.2ml正硅酸乙酯和8.3ml乙醇以及1ml稀释HNO3(作为催化剂并调节pH=2)混合并在30℃水浴下搅拌2h,然后在荫凉处静置18h以上得到溶胶。在已经制备好的ZnO纳米棒阵列上进行旋涂。旋涂时,转速为3000转/分钟,时间为30秒。然后在60℃下烘干20min,再在空气气氛下650℃热处理2h,退火时升温速率控制在5℃/min。
4)在SiO2薄膜上和硅衬底背面分别溅射30nm和100nm厚的Au膜,其中前者的面积10×10mm2
获得如图1所示的硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器。
在折射率随机变化的准二维系统中,符合某些分布的散射物质可以形成随机共振腔,在较高的正向偏压下,一旦光增益大于光损耗,就会产生激光,在EL谱上出现尖锐峰。在本发明的器件结构中,随机分布的ZnO纳米棒阵列和SiO2膜保证了体系折射率的随机分布,也可以形成这种随机谐振腔。
图2给出了获得的硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器在不同的正向偏压下的EL谱,图中曲线从上至下依次代表电压为8.0V、6.0V、4.5V时器件的EL谱。
当正向电压增大到4.5V时,器件表现出明显的随机激光特性,在紫外区(<400nm)出现了一些非常尖锐的峰,并且这些尖锐峰的半高宽小于2
Figure A20091009948700071
随着电压的进一步加大(如5V以上),尖锐峰的数量明显增多,强度也明显增强。

Claims (7)

1.一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器,其特征在于:在硅衬底(1)的正面自下而上依次生长有ZnO薄膜(2)、ZnO纳米棒阵列(3)、SiO2薄膜(4)和半透明电极(5),在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极(6)。
2.根据权利要求1所述的硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器,其特征在于:所述的ZnO纳米棒阵列(3)的生长方向大致垂直于硅衬底(1)的正面。
3.根据权利要求1所述的硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器,其特征在于:所述的半透明电极(5)为半透明Au电极。
4.一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器的制备方法,包括以下步骤:
1)利用磁控溅射法在清洗后的n型硅片上沉积ZnO薄膜;
2)利用化学水浴沉积法在ZnO薄膜上生长ZnO纳米棒阵列,然后在空气氛下热处理;
3)用溶胶-凝胶法在ZnO纳米棒阵列上生长SiO2薄膜;
4)在SiO2薄膜上溅射半透明电极,在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:步骤1)中,磁控溅射的温度为100-600℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:步骤2)中,将长有ZnO薄膜的硅片竖直放置在硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液中生长ZnO纳米棒阵列,硝酸锌和六次甲基四胺的摩尔比为1∶1,硝酸锌的浓度为0.005mol/L-0.1mol/L。
7.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:步骤3)中,在已经制备好的ZnO纳米棒阵列上旋涂硅溶胶后烘干,再在空气气氛下500-700℃热处理,退火时升温速率控制在1-20℃/min。
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