[发明专利]一种构筑电泵浦回音壁模ZnO紫外微激光器的制备方法

说明书

技术领域

本发明设计利用气相传输法或水热法制备高品质单晶ZnO微米棒，分离出单根ZnO微米棒并将之与有缓冲层的p型GaN结合，经过对缓冲层的处理，与GaN形成接触良好的pn结，接着在其表面溅射一层无机透明绝缘薄膜，其次利用反应离子刻蚀或者光刻技术使ZnO微米棒表面暴露，最后将石墨烯转移到ZnO微米棒表面作为电极，并在p型GaN表面制备电极，形成完整的器件。以上述方法和工艺流程获得的发光pn结能够获得高品质的电泵紫外回音壁模激光。

背景技术

自日本科学家和美国科学家相继发现了ZnO薄膜和纳米线中的紫外光辐射以来，ZnO成为设计紫外激光器的理想材料。ZnO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(F-P)激光、回音壁模激光。在随机激光中，相干反馈是靠回程散射自发形成的，由于晶体边界散射严重造成光路中的光学损耗大，因此随机激射阈值十分高，并且激射模式不固定。F-P型激光其工作原理类似于传统的F-P腔激光器，两平行面相当于两个腔镜，然而由于ZnO两端界面处反射率较低，因此F-P模激射的阈值也比较高。回音壁模激射是利用光路在ZnO六边形微米棒中内不断全反射形成的，光学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ZnO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，上述三种模式ZnO的紫外激射在光泵浦下已经实现的，人们均采用了脉冲激光器泵浦ZnO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以形成激光辐射。现有的研究工作已经开始着力于发展ZnO电致发光，由于人们难以获得稳定的p型ZnO材料。因此研究者通常在p型硅或p型GaN表面生长ZnO薄膜形成pn结，而这种薄膜pn结由于缺少合适的腔体结构，只能形成没有固定模式的随机激光。随机激光的稳定性和可重复性不强，而且激光波长是不可控的，所以随机激光仍然是不够理想的。ZnO微米棒具有六角纤维锌矿结构，提供一个理想的激光腔体结构，形成的回音壁模式有较低的激光阈值，固定的激光模式和输出方向，因此将ZnO微米棒作为微激光器的振荡微腔将是一个理想的选择。n型ZnO微米棒/缓冲层/p型GaN结构的回音壁模微激光器的制备已有报道。但是由于金属电极的不透光性，激光的在出射时造成了很大的损耗。用透明导电薄膜(如：氧化铟锡(ITO)，氧锌铝(ZAO)等)作为电极，虽然透光性增强，却牺牲了载流子浓度。石墨烯具有高载流子浓度和高透光性，是作为电极的理想材料。

所以我们提出了石墨烯/n型ZnO微米棒/缓冲层/p型GaN这种结构，加入缓冲层既保证了pn结构，使各层之间良好的电学接触，又改善了ZnO微米棒腔体中的全反射条件，使光损耗会降低，增益提高。同时石墨烯作为电极提高了光的透射率，有利于激光品质的提高。

该方法首先利用气相传输法制备出ZnO微米棒单晶，然后将单根ZnO微米棒转移到有缓冲层的p型GaN上固定，通过对缓冲层的处理，ZnO微米棒与p型GaN之间能形成接触良好的异质结。然后在有ZnO微米棒的p型GaN表面制备一层绝缘薄膜(如：SiO₂，Al₂O₃等透明绝缘材料)，接着采用反应离子刻蚀或者光刻技术把ZnO微米棒表面刻蚀出来，最后将石墨烯转移到暴露出ZnO微米棒衬底上，经过低温加压使石墨烯与ZnO微米棒良好接触；在p型GaN表面制备金属电极，构成完整的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN异质结微激光器。该方法制备的微激光器可以通过选择不同尺寸的ZnO微米棒以调制激光波长和模式，同时利用石墨烯的导电性和透光性实现高品质的紫外激光输出。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种构筑电泵浦回音壁模ZnO紫外微激光器的方法。其激光输出波长通过调节ZnO微米棒直径得到调控。

技术方案：本发明中，利用气相传输法制备高品质ZnO微米棒，分离出单根ZnO微米棒，并转移到有缓冲层的p型GaN衬底表面，经过处理形成良好的pn结。然后在GaN衬底表面制备一层绝缘薄膜(如：SiO₂，Al₂O₃等透明绝缘材料)，接着采用反应离子刻蚀或者光刻技术把ZnO微米棒表面刻蚀出来，将石墨烯转移在露出ZnO微米棒的衬底上，经过低温加压使石墨烯与ZnO微米棒良好接触；最后在p型GaN表面制备金属电极，构成完整的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN异质结微激光器。本发明采用以下技术方案：