基於表面織構化ZnO膜的電抽運隨機雷射器及製備方法
2023-05-27 12:28:26
專利名稱：基於表面織構化ZnO膜的電抽運隨機雷射器及製備方法
技術領域：
本發明涉及光電子器件領域，尤其涉及一種基於表面織構化ZnO膜的電抽運隨機雷射器及其製備方法。
背景技術：
隨機激射是一種產生於無規介質中的發光現象。與傳統雷射不同的是，隨機激射的產生無需製備精密的諧振腔，發光方向隨機分布，其獨特的性能在平面顯示、生物醫藥、 軍事方面具有潛在的應用價值。ZnO材料由於具有較高的光學增益和較強的光散射能力，被認為是製備紫外隨機雷射器的理想材料。2007年，馬向陽等已利用金屬-氧化物-半導體(MOS)結構實現了 ZnO多晶薄膜的電抽運隨機雷射(X. Y. Ma, P. L. Chen, D. S. Li, Y. Y. Zhang, D. R. Yang, Electrically pumped ZnO film ultraviolet random lasers on silicon substrate. Appl. Phys. Lett.91, 2007,251109)。在該報導中，隨機雷射的閾值電流在70mA左右，過高的電流產生的熱效應會影響器件的性能，同時使器件集成化的難度加大。因此，降低閾值電流成為器件性能優化的首要目標。
發明內容
本發明提供了一種基於表面織構化(surface texture)ZnO膜的電抽運隨機雷射器的製備方法，解決了器件隨機激射的閾值電流過高的問題。一種電抽運隨機雷射器的製備方法，包括在襯底正面沉積ZnO薄膜，置於鹽酸中進行腐蝕，取出清洗乾淨，在ZnO薄膜上沉積SiA薄膜，在襯底背面和SiA薄膜沉積Au電極。沉積ZnO薄膜、Au電極均可採用直流反應濺射的方法，在ZnO薄膜上沉積SW2薄膜可採用溶膠-凝膠法。本發明所述的表面織構化是指ZnO薄膜表面經鹽酸腐蝕後形成高低起伏的形貌。優選的，所述鹽酸的濃度為0. 005 0. 03mol/L,所述的腐蝕溫度為20 50°C，時間為3 15秒。優選的，所述襯底正面沉積ZnO薄膜後，先於氧氣氛下加熱處理，接著置於鹽酸中進行腐蝕，以提高SiO薄膜的結晶質量，加熱處理溫度優選為600 800°C，時間優選為1 3小時。本發明還提供了上述製備方法製得的電抽運隨機雷射器。本發明的有益效果在於相對於傳統的電抽運隨機雷射器，本發明方法製得的電抽運隨機雷射器的閾值電流顯著降低，從實施例1和實施例2可以看出，閾值電流下降了一
半左右。
圖1為本發明電抽運隨機雷射器的結構示意圖；圖2為實施例1中未經表面織構化處理的ZnO薄膜的掃描電鏡照片；圖3為實施例1中ZnO薄膜經表面織構化處理之後的掃描電鏡照片；圖4為實施例1中經表面織構化處理後的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器在不同電流下的發光譜；圖5為實施例1中未經表面織構化處理的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器在不同電流下的發光譜；圖6為實施例1中的兩種電抽運隨機雷射器在不同電流下的輸出光功率曲線，曲線1對應於經表面織構化處理後的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器，曲線2對應於未經表面織構化處理的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器；圖7為實施例2中ZnO薄膜經表面織構化處理之後的掃描電鏡照片；圖8為實施例2中經表面織構化處理後的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器在不同電流下的發光譜。
具體實施例方式如圖1所示一種電抽運隨機雷射器，包括由N型矽片製成的襯底1，襯底正面沉積有發光層2，該發光層2為表面織構化ZnO薄膜，發光層沉積有勢壘層3，勢壘層3為SW2 薄膜，勢壘層3和襯底1背面分別沉積有厚度約為20nm和IOOnm的Au電極4和金薄膜5， 作為器件的電極。該器件可以通過以下方法製備得到。實施例11)取電阻率為0.005歐姆 釐米、大小為15 X 15mm2、厚度為675微米的兩片N型 矽片，清洗後放入直流反應濺射裝置的反應室中，將反應室真空抽至5 X IO-3Pa ；在矽片上利用直流反應濺射的方法沉積約160歷厚的ZnO薄膜，在濺射時，採用純金屬Si靶、襯底溫度300°C、濺射功率100W、通以&和Ar混合氣體，O2和Ar的流量比為1:2，工作壓強為8Pa ；在氧氣氣氛、700°C的溫度下進行熱處理2小時；2)採用濃度為0.02mol/L的稀鹽酸溶液，在40°C下對其中一片矽片上的ZnO薄膜腐蝕10秒，接下來用去離子水將殘留的HCl溶液衝洗乾淨；3)利用溶膠-凝膠法在上述兩種ZnO薄膜上沉積SW2薄膜，具體步驟如下配置正矽酸乙酯(TEOS)乙醇(EtOH) =1 10(摩爾比)的前驅體溶液，並加入微量的HCl作為催化劑，攪拌2小時後，作為SW2的前驅體溶膠。在上述兩種ZnO薄膜以3000轉/秒的速度旋塗一層SW2的前驅體溶膠薄膜，接著在100°C下烘乾20分鐘，最後在空氣中於550°C 熱處理1小時形成SiO2薄膜；4)在SW2薄膜上濺射約20nm厚的半透明Au電極，在矽襯底背面濺射沉積IOOnm 厚的Au電極，上述兩邊Au電極均呈直徑IOmm的圓形。未經表面織構化處理的ZnO薄膜的表面形貌如圖2所示，端面晶粒呈六邊形；經過表面織構化處理的ZnO薄膜的表面形貌如圖3所示，表面粗糙度增加，呈現高低起伏的形貌。將上述兩種器件中的正面Au電極連接直流電源的正極，矽襯底背面的Au電極連接負極，測試兩個器件在不同注入電流下的電致發光光譜。如圖4、圖5所示。光譜中的尖銳峰是由ZnO的隨機雷射引起的。對經表面織構化處理後的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器而言，當注入電流達僅為8mA時，隨機雷射即可發生(如圖4所示)，而對未經表面織構化處理的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器而言，注入電流需達到20mA時，隨機雷射才能發生(如圖5所示)。圖6是兩種電抽運隨機雷射器在不同電流下的輸出光功率曲線，可以看到當注入電流大於某一閾值時，輸出功率隨電流增長得更快，這是雷射的典型特徵。另外還可以看到經表面織構化處理後的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器的閾值電流約為6mA，而未經表面織構化處理的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器的閾值電流為16mA。這一結果有力地說明對 ZnO薄膜進行表面織構化處理可以顯著地降低電抽運隨機雷射的閾值電流。實施例21)取電阻率為0.005歐姆 釐米、大小為15X 15mm2、厚度為675微米的N型 矽片，清洗後放入直流反應濺射裝置的反應室中，將反應室真空抽至5X10_3I^;在矽片上利用直流反應濺射的方法沉積約160歷厚的ZnO薄膜，在濺射時，採用純金屬Si靶、襯底溫度300°C、濺射功率100W、通以&和Ar混合氣體，O2和Ar的流量比為1 2，工作壓強為 SPa ；在氧氣氣氛、700°C的溫度下進行熱處理2小時；2)採用濃度為0. Olmol/L的稀鹽酸溶液，在40°C下對ZnO薄膜腐蝕10秒，接下來用去離子水將殘留的HCl溶液衝洗乾淨；3)利用溶膠-凝膠法在經表面織構化處理後的ZnO薄膜上沉積SW2薄膜，具體步驟如下配置正矽酸乙酯(TEOS)乙醇(EtOH) =1 10(摩爾比)的前驅體溶液，並加入微量的HCl作為催化劑，攪拌2小時後，作為SW2的前驅體溶膠。在上述兩種ZnO薄膜以 3000轉/秒的速度旋塗一層SW2的前驅體溶膠薄膜，接著在100°c下烘乾20分鐘，最後在空氣中於550°C熱處理1小時形成SW2薄膜；4)在SW2薄膜上濺射約20nm厚的半透明Au電極，在矽襯底背面濺射沉積IOOnm 厚的Au電極，上述兩邊Au電極均呈直徑IOmm的圓形。經掃描電鏡觀察上述表面織構化後的ZnO薄膜表明，表面織構化使薄膜粗糙度增加，在晶界附近出現了一些溝狀凹陷。將上述器件中的正面Au電極連接直流電源的正極，矽襯底背面的Au電極連接負極，測試器件在不同注入電流下的電致發光光譜，以實施例1中的未經表面織構化的ZnO薄膜器件為參比器件。如圖8所示，當注入電流僅為9mA時，隨機雷射即可發生。而對未經表面織構化的ZnO薄膜的電抽運隨機雷射器而言，注入電流需達到20mA時，隨機雷射才能發生(如圖5所示)。這一結果說明，對ZnO薄膜進行表面織構化可以降低電抽運隨機雷射的閾值電流，當織構化條件改變時，電抽運隨機雷射的閾值電流降低的程度會隨之改變。
權利要求
1.一種電抽運隨機雷射器的製備方法，包括在襯底正面沉積ZnO薄膜，置於鹽酸中進行腐蝕，取出清洗乾淨，在ZnO薄膜上沉積 SiO2薄膜，在襯底背面和S^2薄膜沉積Au電極。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述鹽酸的濃度為0.005 0.03mol/L。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述的腐蝕溫度為20 50°C，時間為3 15秒。
4.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述襯底正面沉積ZnO薄膜後，先於氧氣氛下加熱處理，接著置於鹽酸中進行腐蝕。
5.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，所述加熱處理溫度為600 800°C， 時間為1 3小時。
6.權利要求1 5任一所述製備方法製得的電抽運隨機雷射器。
全文摘要
本發明公開了一種基於表面織構化ZnO膜的電抽運隨機雷射器及製備方法，該方法包括在襯底正面沉積ZnO薄膜，置於鹽酸中進行腐蝕，取出清洗乾淨，在ZnO薄膜上沉積SiO2薄膜，在襯底背面和SiO2薄膜沉積Au電極。相對於傳統的電抽運隨機雷射器，本發明方法製得的電抽運隨機雷射器的閾值電流顯著降低，從實施例1和實施例2可以看出，閾值電流下降了一半左右。
文檔編號H01S5/327GK102263373SQ201110172770
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者李雲鵬, 楊德仁, 馬向陽 申請人:浙江大學