六邊形氧化鋅回音壁模微雷射二極體的製備方法
2023-06-14 02:29:01
專利名稱：六邊形氧化鋅回音壁模微雷射二極體的製備方法
技術領域：
本發明設計利用氣相傳輸法製備高品質η型單晶正六邊形氧化鋅微米棒，分離出單根氧化鋅微米棒，將之與表面濺射一層鋅薄膜的P型氮化鎵結合，隨後在氧氛圍下對樣品退火，實現鋅薄膜氧化，使氧化鋅微米棒和P型氮化鎵之間形成有效的ρη結區。利用聚合物PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)覆蓋ρη結表面，其次利用反應離子刻蝕使氧化鋅表面暴露。 最後在P型氮化鎵和氧化鋅微米棒表面分別製備歐姆接觸電極。以上述方法和實驗流程獲得的發光Pn結能夠獲得高品質的紫外電泵浦回音壁模微雷射輻射。
背景技術：
自日本科學家和美國科學家相繼發現了氧化鋅薄膜和納米線中的紫外光機輻射以來，氧化鋅中成為了設計紫外雷射器的理想材料。氧化鋅微納米結構中的紫外激射模式可以分為三種隨機雷射、法布裡-珀羅雷射，回音壁模雷射。隨機雷射是在氧化鋅粉末或薄膜中產生，這種雷射輻射行為是由於光在不同晶粒邊界不斷反射而形成一個隨機閉合共振光路產生的。因為晶體邊界散射嚴重，因此隨機雷射光路中的光學損耗大，通常隨機激射閾值十分高，並且激射模式不固定。法布裡-珀羅雷射是光線在一維氧化鋅微納米棒的兩端被反射形成的共振而產生的，這種模式的雷射是最典型的傳統雷射器的工作模式，然而由於氧化鋅法布裡-珀羅雷射模腔體兩端界面處反射率較低，因此法布裡-珀羅雷射的閾值也比較高。回音壁模激射是利用光路在氧化鋅正六邊形微米棒中不斷全反射形成的，全反射能有效的將光線束縛在腔體內，因此光學損耗極其微弱，所以正六邊形氧化鋅回音壁模微米棒能輸出高品質因子和低閾值的雷射輻射。目前在正六邊形氧化鋅微米棒中實現的光泵浦回音壁模激射已經證明了回音壁模激射具有極低的激射閾值和極高的雷射品質因子。目前，上述三種模式氧化鋅的紫外激射基本都是在光學泵浦下實現的，人們均採用了脈衝雷射器泵浦氧化鋅微納米結構以使粒子數發生反轉，使得光學增益大於光學損耗從而形成雷射輻射。現有的研究工作已經開始著力於發展氧化鋅電致發光，由於人們難以獲得穩定的P型氧化鋅材料。因此研究者通常在P型矽或P型氮化鎵表面生長氧化鋅薄膜形成ρη結，而這種薄膜ρη結由於缺少合適的腔體結構，並且光學損耗高。目前已經有相關文獻報導了氧化鋅薄膜ρη結中的電泵浦受激輻射，然而這種薄膜器件中觀測到的雷射輻射屬於隨機激射，因此激射波長(模式)完全不可控，並且無法確定具體的雷射出射方向。 此外韓國科學家首次利用單個氧化鋅納米線和ρ型矽納米線形成單根納米ρη結，獲得了法布裡-珀羅模式紫外電泵浦激射，由於納米線尺度過小，難以獲得高的載流子濃度，所以在單根納米線Pn結獲得紫外雷射的品質因子十分低。基於上述問題，利用高品質的正六邊形氧化鋅微米棒和ρ型氮化鎵組成ρη結，既迴避了單根納米線Pn結低載流子濃度的問題，又利用了正六邊形氧化鋅微米棒的高品質回音壁模腔體結構。因此這對設計有效的氧化鋅電泵浦雷射輻射二極體具有十分重要的意義。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種六邊形氧化鋅回音壁模微雷射二極體的製備方法。其雷射輸出波長通過調節氧化鋅微米棒直徑得到調控。技術方案在本發明中，利用氣相傳輸法製備正六邊形氧化鋅微米棒陣列，將單根氧化鋅微米棒分散在P型氮化鎵襯底上，為實現P型氮化鎵和氧化鋅微米棒的有效結合，在氮化鎵和微米棒之間引入一層鋅納米薄膜後進行退火氧化。從而實現接觸界面處晶體完全結合的pn結。其後在pn結上旋塗PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜，再對PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜進行反應離子刻蝕，使得氧化鋅表面暴露。最後在P型氮化鎵和氧化鋅上分別利用電子束蒸發製備歐姆接觸電極。最終獲得正六邊形回音壁模η型氧化鋅微米棒/ P型氮化鎵異質結微雷射器。本發明採用以下技術方案第一步將純度均為99. 99%的氧化鋅(SiO)粉末和碳粉末按照質量比1 1 混合研磨後填入陶瓷舟內。將2cm*3cm的矽片經丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗後，用氮氣衝幹後，將矽片拋光面朝下覆蓋在陶瓷舟上方。隨後將陶瓷舟推入溫度約為 1100°C-120(TC的管式爐中，經過半小時左後的反應時間，氧化鋅微米棒陣列生長於矽片表第二步將ρ型氮化鎵(GaN)經過丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗後，用氮氣衝幹。利用磁控濺射儀在P型氮化鎵其表面生長一層厚度約20-40rmm的鋅納米薄膜。第三步從氧化鋅微米棒陣列中挑選單根氧化鋅微米棒，將之平放至由第二步製備好的鋅納米薄膜表面。隨後將之放置於管式爐中在氧氛圍中退火1小時，退火溫度是 500°C，使得鋅納米薄膜完全成為氧化鋅納米薄膜，同時該層薄膜起到了將上層η型氧化鋅微米棒和下層P型氮化鎵有效地連接在一起形成pn結。第四步利用丙酮溶解PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)顆粒形成透明均勻溶液，利用勻膠機將之旋塗於第三步製備好的樣品表面，形成的PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜能夠完全覆蓋正六邊形氧化鋅微米棒。第五步將第四步製備好的覆蓋有PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜的樣品置於反應離子刻蝕機腔體內進行刻蝕，使氧化鋅微米棒的上表面暴露出來。第六步通過電子束蒸發方法，在ρ型氮化鎵表面製備鎳薄膜和金薄膜(Ni/Au)形成歐姆接觸電極，在氧化鋅表面製備金(Au)薄膜形成歐姆接觸電極。第七步將製得的pn結器件進行電學性質測量，並測量電泵浦雷射光譜。有益效果與現有技術相比，本發明具有以下優點1.本發明迴避了刻蝕法製備回音壁微腔雷射腔的複雜過程，利用邊界光滑的單晶氧化鋅微米棒形成自然的回音壁微腔，其光學損耗小，更利於微腔雷射的形成。2.本發明製備的氧化鋅微米棒直徑可調，因此微腔雷射器的雷射模式和雷射波長可調。相比於氧化鋅薄膜中產生的電泵浦隨機雷射更具有實用價值。3.本發明在P型氮化鎵和η型正六邊形結構氧化鋅微米棒之間弓I入一層鋅納米薄膜，繼而進行氧化形成氧化鋅薄膜，使得P型氮化鎵和氧化鋅微米棒通過中間的氧化鋅薄膜形成有效的pn結。
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4.本發明製備的正六邊形回音壁模式η型氧化鋅微米棒/P型氮化鎵微雷射二極體性能穩定。
圖1 (a-d)正六邊形回音壁模式η型氧化鋅微米棒/p型氮化鎵微雷射二極體製備示意圖。圖2正六邊形氧化鋅微米棒中的電泵浦紫外激射光譜。
具體實施例方式(以製備腔體直徑為5.9微米的回音壁模式η型氧化鋅微米棒/p型氮化鎵微雷射二極體為例)第一步將純度均為99. 99%的氧化鋅粉末和碳粉末按照質量比1 1混合研磨， 取0. 5克該混合物填入陶瓷舟內，陶瓷舟長4cm，寬1cm，深1cm。將2cm*3cm的矽片經丙酮、 無水乙醇和去離子水依次超聲清洗5分鐘後，用氮氣衝幹後，將矽片拋光面朝下覆蓋於陶瓷舟上方。隨後將陶瓷舟推入高溫區溫度約為1150°C的管式爐中。經過40分鐘反應，具有正六邊形結構的氧化鋅微米棒陣列生長於矽片表面，其直徑約6-10微米，長度約2-5毫米。第二步將ρ型氮化鎵經過丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗5分鐘後，用氮氣衝幹。利用射頻磁控濺射儀在P型氮化鎵其表面生長一層厚度約20nm的鋅膜，濺射靶材為純度99. 99%鋅金屬靶材。濺射氣壓為2. 5Pa，氣氛為純度99. 99%氬氣，濺射時間為 40秒，濺射功率約60W。第三步從氧化鋅微米棒陣列中挑選直徑為5. 9微米的單根正六邊形氧化鋅微米棒進行電子掃描顯微鏡表徵，確定其具有完美回音壁腔體結構，然後在355納米的納秒脈衝雷射下激發，觀察高品質因子的雷射輻射光譜，確定其雷射波長。第四步將該正六邊形微米棒平放至由第二步製備好的鋅納米薄膜表面。隨後將之放置於管式爐中在氧氛圍中退火1小時，退火溫度是500°C，使得20nm厚度的鋅納米薄膜完全成為氧化鋅納米薄膜，同時該層薄膜起到了將上層氧化鋅微米棒和下層P型氮化鎵有效地連接在一起形成pn結。第五步製備5mg/mL PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)丙酮溶液，利用勻膠機將之旋塗於第三步製備好的樣品表面。旋塗速度在2秒鐘內由靜止狀態加速至設定轉速2500轉/ 分鐘，隨後保持該轉速30秒鐘，形成厚度約6微米的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜。第六步將第四步製備好的覆蓋有約6微米PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜的樣品至於反應離子刻蝕機腔體內，腔內壓強控制在lOOmTorr，CF4和仏流量分別為70SCCM和 5SCCM，功率為60W，刻蝕時間為1分鐘，刻蝕厚度約1微米。然後再進行SEM表徵，確定氧化鋅的表面暴露出來。第七步通過電子束蒸發方錯誤！未定義書籤。在P型氮化鎵表面製備Ni/Au的氧化鋅表面製備30nm厚度Au薄膜形成歐姆接觸電極。正六邊形回音壁模式η型氧化鋅微米棒/P型氮化鎵微雷射二極體製備流程示意圖見附圖1。第八步將製得的pn結器件進行電學性質測量，並測量電泵浦雷射光譜(如圖 2)。
權利要求
1. 一種六邊形氧化鋅回音壁模微雷射二極體的製備方法，其特徵在於該方法具體如下第一步將純度均為99. 99%以上的氧化鋅粉末和碳粉末按照質量比1 1混合研磨後填入陶瓷舟內；將矽片經丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗後，用氮氣衝幹，將矽片拋光面朝下覆蓋在陶瓷舟上方；隨後將陶瓷舟推入的管式爐中，管式爐高溫區溫度約為 1100-1200°C，經過半小時左右的反應時間，氧化鋅微米棒陣列生長於矽片表面；第二步將P型氮化鎵經過丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗後，用氮氣衝幹； 利用磁控濺射儀在P型氮化鎵表面生長一層厚度約20-40rmm的鋅納米薄膜；第三步從氧化鋅微米棒陣列中挑選單根氧化鋅微米棒，將之平放至由第二步製備好的鋅納米薄膜表面；隨後將之放置於管式爐中在氧氛圍中退火，使得鋅膜完全成為氧化鋅， 同時該層薄膜起到了將上層氧化鋅微米棒和下層P型氮化鎵有效地連接在一起形成Pn 結；第四步利用丙酮溶解聚甲基丙烯酸甲酯PMMA顆粒形成透明均勻溶液，利用勻膠機將之旋塗於第三步製備好的樣品表面，形成的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜能夠完全覆蓋正六邊形氧化鋅微米棒；第五步將第四步製備好的覆蓋有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜的樣品置於反應離子刻蝕機腔體內進行刻蝕，使氧化鋅微米棒的上表面暴露出來；第六步通過電子束蒸發方法，在P型氮化鎵表面先後製備鎳薄膜和金薄膜形成歐姆接觸電極，在氧化鋅表面製備金薄膜形成歐姆接觸電極；第七步將製得的pn結器件進行電學性質測量，並測量電泵浦雷射光譜。
全文摘要
本發明公開了一種利用n型六邊形氧化鋅微米棒和p型氮化鎵形成異質結紫外回音壁模微雷射二極體的製備方法。該方法首先利用氣相傳輸法製備具有正六邊形截面的n型氧化鋅微米棒，然後將單根氧化鋅微米棒集成在p型氮化鎵薄膜表面形成異質結，最後在氮化鎵表面和氧化鋅表面分別製備電極。該方法利用光線在氧化鋅微米棒內的內壁全反射構成高品質的回音壁模微腔，通過選擇不同尺寸的氧化鋅微米棒可實現不同要求的紫外雷射輸出波長。器件構建過程中一個重要的工藝是在氧化鋅微米棒和氮化鎵之間引入一層金屬鋅納米薄膜熱氧化後形成的氧化鋅薄層，有效地改善了界面上的電學接觸，提高了載流子注入效率。
文檔編號H01S5/327GK102496854SQ201110443690
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者徐春祥, 戴俊, 朱剛毅, 石增良 申請人:東南大學