CN102496854A - 六边形氧化锌回音壁模微激光二极管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用n型六边形氧化锌微米棒和p型氮化镓形成异质结紫外回音壁模微激光二极管的制备方法。该方法首先利用气相传输法制备具有正六边形截面的n型氧化锌微米棒，然后将单根氧化锌微米棒集成在p型氮化镓薄膜表面形成异质结，最后在氮化镓表面和氧化锌表面分别制备电极。该方法利用光线在氧化锌微米棒内的内壁全反射构成高品质的回音壁模微腔，通过选择不同尺寸的氧化锌微米棒可实现不同要求的紫外激光输出波长。器件构建过程中一个重要的工艺是在氧化锌微米棒和氮化镓之间引入一层金属锌纳米薄膜热氧化后形成的氧化锌薄层，有效地改善了界面上的电学接触，提高了载流子注入效率。

Description

六边形氧化锌回音壁模微激光二极管的制备方法

技术领域

本发明设计利用气相传输法制备高品质n型单晶正六边形氧化锌微米棒，分离出单根氧化锌微米棒，将之与表面溅射一层锌薄膜的p型氮化镓结合，随后在氧氛围下对样品退火，实现锌薄膜氧化，使氧化锌微米棒和p型氮化镓之间形成有效的pn结区。利用聚合物PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)覆盖pn结表面，其次利用反应离子刻蚀使氧化锌表面暴露。最后在p型氮化镓和氧化锌微米棒表面分别制备欧姆接触电极。以上述方法和实验流程获得的发光pn结能够获得高品质的紫外电泵浦回音壁模微激光辐射。

背景技术

自日本科学家和美国科学家相继发现了氧化锌薄膜和纳米线中的紫外光机辐射以来，氧化锌中成为了设计紫外激光器的理想材料。氧化锌微纳米结构中的紫外激射模式可以分为三种：随机激光、法布里-珀罗激光，回音壁模激光。随机激光是在氧化锌粉末或薄膜中产生，这种激光辐射行为是由于光在不同晶粒边界不断反射而形成一个随机闭合共振光路产生的。因为晶体边界散射严重，因此随机激光光路中的光学损耗大，通常随机激射阈值十分高，并且激射模式不固定。法布里-珀罗激光是光线在一维氧化锌微纳米棒的两端被反射形成的共振而产生的，这种模式的激光是最典型的传统激光器的工作模式，然而由于氧化锌法布里-珀罗激光模腔体两端界面处反射率较低，因此法布里-珀罗激光的阈值也比较高。回音壁模激射是利用光路在氧化锌正六边形微米棒中不断全反射形成的，全反射能有效的将光线束缚在腔体内，因此光学损耗极其微弱，所以正六边形氧化锌回音壁模微米棒能输出高品质因子和低阈值的激光辐射。目前在正六边形氧化锌微米棒中实现的光泵浦回音壁模激射已经证明了回音壁模激射具有极低的激射阈值和极高的激光品质因子。

目前，上述三种模式氧化锌的紫外激射基本都是在光学泵浦下实现的，人们均采用了脉冲激光器泵浦氧化锌微纳米结构以使粒子数发生反转，使得光学增益大于光学损耗从而形成激光辐射。现有的研究工作已经开始着力于发展氧化锌电致发光，由于人们难以获得稳定的p型氧化锌材料。因此研究者通常在p型硅或p型氮化镓表面生长氧化锌薄膜形成pn结，而这种薄膜pn结由于缺少合适的腔体结构，并且光学损耗高。目前已经有相关文献报道了氧化锌薄膜pn结中的电泵浦受激辐射，然而这种薄膜器件中观测到的激光辐射属于随机激射，因此激射波长(模式)完全不可控，并且无法确定具体的激光出射方向。此外韩国科学家首次利用单个氧化锌纳米线和p型硅纳米线形成单根纳米pn结，获得了法布里-珀罗模式紫外电泵浦激射，由于纳米线尺度过小，难以获得高的载流子浓度，所以在单根纳米线pn结获得紫外激光的品质因子十分低。

基于上述问题，利用高品质的正六边形氧化锌微米棒和p型氮化镓组成pn结，既回避了单根纳米线pn结低载流子浓度的问题，又利用了正六边形氧化锌微米棒的高品质回音壁模腔体结构。因此这对设计有效的氧化锌电泵浦激光辐射二极管具有十分重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种六边形氧化锌回音壁模微激光二极管的制备方法。其激光输出波长通过调节氧化锌微米棒直径得到调控。

技术方案：在本发明中，利用气相传输法制备正六边形氧化锌微米棒阵列，将单根氧化锌微米棒分散在p型氮化镓衬底上，为实现p型氮化镓和氧化锌微米棒的有效结合，在氮化镓和微米棒之间引入一层锌纳米薄膜后进行退火氧化。从而实现接触界面处晶体完全结合的pn结。其后在pn结上旋涂PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜，再对PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜进行反应离子刻蚀，使得氧化锌表面暴露。最后在p型氮化镓和氧化锌上分别利用电子束蒸发制备欧姆接触电极。最终获得正六边形回音壁模n型氧化锌微米棒/p型氮化镓异质结微激光器。

本发明采用以下技术方案：

第一步：将纯度均为99.99％的氧化锌(ZnO)粉末和碳粉末按照质量比1∶1混合研磨后填入陶瓷舟内。将2cm*3cm的硅片经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气冲干后，将硅片抛光面朝下覆盖在陶瓷舟上方。随后将陶瓷舟推入温度约为1100℃-1200℃的管式炉中，经过半小时左后的反应时间，氧化锌微米棒阵列生长于硅片表面。

第二步：将p型氮化镓(GaN)经过丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气冲干。利用磁控溅射仪在p型氮化镓其表面生长一层厚度约20-40nnm的锌纳米薄膜。

第三步：从氧化锌微米棒阵列中挑选单根氧化锌微米棒，将之平放至由第二步制备好的锌纳米薄膜表面。随后将之放置于管式炉中在氧氛围中退火1小时，退火温度是500℃，使得锌纳米薄膜完全成为氧化锌纳米薄膜，同时该层薄膜起到了将上层n型氧化锌微米棒和下层p型氮化镓有效地连接在一起形成pn结。

第四步：利用丙酮溶解PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)颗粒形成透明均匀溶液，利用匀胶机将之旋涂于第三步制备好的样品表面，形成的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜能够完全覆盖正六边形氧化锌微米棒。

第五步：将第四步制备好的覆盖有PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜的样品置于反应离子刻蚀机腔体内进行刻蚀，使氧化锌微米棒的上表面暴露出来。

第六步：通过电子束蒸发方法，在p型氮化镓表面制备镍薄膜和金薄膜(Ni/Au)形成欧姆接触电极，在氧化锌表面制备金(Au)薄膜形成欧姆接触电极。

第七步：将制得的pn结器件进行电学性质测量，并测量电泵浦激光光谱。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明回避了刻蚀法制备回音壁微腔激光腔的复杂过程，利用边界光滑的单晶氧化锌微米棒形成自然的回音壁微腔，其光学损耗小，更利于微腔激光的形成。

2.本发明制备的氧化锌微米棒直径可调，因此微腔激光器的激光模式和激光波长可调。相比于氧化锌薄膜中产生的电泵浦随机激光更具有实用价值。

3.本发明在p型氮化镓和n型正六边形结构氧化锌微米棒之间引入一层锌纳米薄膜，继而进行氧化形成氧化锌薄膜，使得p型氮化镓和氧化锌微米棒通过中间的氧化锌薄膜形成有效的pn结。

4.本发明制备的正六边形回音壁模式n型氧化锌微米棒/p型氮化镓微激光二极管性能稳定。

附图说明

图1(a-d)正六边形回音壁模式n型氧化锌微米棒/p型氮化镓微激光二极管制备示意图。

图2正六边形氧化锌微米棒中的电泵浦紫外激射光谱。

具体实施方式

(以制备腔体直径为5.9微米的回音壁模式n型氧化锌微米棒/p型氮化镓微激光二极管为例)：

第一步：将纯度均为99.99％的氧化锌粉末和碳粉末按照质量比1∶1混合研磨，取0.5克该混合物填入陶瓷舟内，陶瓷舟长4cm，宽1cm，深1cm。将2cm*3cm的硅片经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗5分钟后，用氮气冲干后，将硅片抛光面朝下覆盖于陶瓷舟上方。随后将陶瓷舟推入高温区温度约为1150℃的管式炉中。经过40分钟反应，具有正六边形结构的氧化锌微米棒阵列生长于硅片表面，其直径约6-10微米，长度约2-5毫米。

第二步：将p型氮化镓经过丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗5分钟后，用氮气冲干。利用射频磁控溅射仪在p型氮化镓其表面生长一层厚度约20nm的锌膜，溅射靶材为纯度99.99％锌金属靶材。溅射气压为2.5Pa，气氛为纯度99.99％氩气，溅射时间为40秒，溅射功率约60W。

第三步：从氧化锌微米棒阵列中挑选直径为5.9微米的单根正六边形氧化锌微米棒进行电子扫描显微镜表征，确定其具有完美回音壁腔体结构，然后在355纳米的纳秒脉冲激光下激发，观察高品质因子的激光辐射光谱，确定其激光波长。

第四步：将该正六边形微米棒平放至由第二步制备好的锌纳米薄膜表面。随后将之放置于管式炉中在氧氛围中退火1小时，退火温度是500℃，使得20nm厚度的锌纳米薄膜完全成为氧化锌纳米薄膜，同时该层薄膜起到了将上层氧化锌微米棒和下层p型氮化镓有效地连接在一起形成pn结。

第五步：制备5mg/mL PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)丙酮溶液，利用匀胶机将之旋涂于第三步制备好的样品表面。旋涂速度在2秒钟内由静止状态加速至设定转速2500转/分钟，随后保持该转速30秒钟，形成厚度约6微米的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜。

第六步：将第四步制备好的覆盖有约6微米PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜的样品至于反应离子刻蚀机腔体内，腔内压强控制在100mTorr，CF₄和O₂流量分别为70SCCM和5SCCM，功率为60W，刻蚀时间为1分钟，刻蚀厚度约1微米。然后再进行SEM表征，确定氧化锌的表面暴露出来。

第七步：通过电子束蒸发方错误！未定义书签。在p型氮化镓表面制备Ni/Au的氧化锌表面制备30nm厚度Au薄膜形成欧姆接触电极。正六边形回音壁模式n型氧化锌微米棒/p型氮化镓微激光二极管制备流程示意图见附图1。

第八步：将制得的pn结器件进行电学性质测量，并测量电泵浦激光光谱(如图2)。

Claims (1)

1.一种六边形氧化锌回音壁模微激光二极管的制备方法，其特征在于该方法具体如下：

第一步：将纯度均为99.99％以上的氧化锌粉末和碳粉末按照质量比1∶1混合研磨后填入陶瓷舟内；将硅片经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气冲干，将硅片抛光面朝下覆盖在陶瓷舟上方；随后将陶瓷舟推入的管式炉中，管式炉高温区温度约为1100-1200℃，经过半小时左右的反应时间，氧化锌微米棒阵列生长于硅片表面；

第二步：将p型氮化镓经过丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气冲干；利用磁控溅射仪在p型氮化镓表面生长一层厚度约20-40nnm的锌纳米薄膜；

第三步：从氧化锌微米棒阵列中挑选单根氧化锌微米棒，将之平放至由第二步制备好的锌纳米薄膜表面；随后将之放置于管式炉中在氧氛围中退火，使得锌膜完全成为氧化锌，同时该层薄膜起到了将上层氧化锌微米棒和下层p型氮化镓有效地连接在一起形成pn结；

第四步：利用丙酮溶解聚甲基丙烯酸甲酯PMMA颗粒形成透明均匀溶液，利用匀胶机将之旋涂于第三步制备好的样品表面，形成的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜能够完全覆盖正六边形氧化锌微米棒；

第五步：将第四步制备好的覆盖有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜的样品置于反应离子刻蚀机腔体内进行刻蚀，使氧化锌微米棒的上表面暴露出来；

第六步：通过电子束蒸发方法，在p型氮化镓表面先后制备镍薄膜和金薄膜形成欧姆接触电极，在氧化锌表面制备金薄膜形成欧姆接触电极；

第七步：将制得的pn结器件进行电学性质测量，并测量电泵浦激光光谱。

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