[发明专利]一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器

说明书

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/SiO_x(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(n_r)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n_r。

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n_r。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；