專利名稱：基于表面織構(gòu)化ZnO膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面織構(gòu)化ZnO膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨機(jī)激射是一種產(chǎn)生于無(wú)規(guī)介質(zhì)中的發(fā)光現(xiàn)象。與傳統(tǒng)激光不同的是，隨機(jī)激射的產(chǎn)生無(wú)需制備精密的諧振腔，發(fā)光方向隨機(jī)分布，其獨(dú)特的性能在平面顯示、生物醫(yī)藥、 軍事方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。ZnO材料由于具有較高的光學(xué)增益和較強(qiáng)的光散射能力，被認(rèn)為是制備紫外隨機(jī)激光器的理想材料。2007年，馬向陽(yáng)等已利用金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 ZnO多晶薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光(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(bào)道中，隨機(jī)激光的閾值電流在70mA左右，過(guò)高的電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)影響器件的性能，同時(shí)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(yōu)化的首要目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于表面織構(gòu)化(surface texture)ZnO膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的制備方法，解決了器件隨機(jī)激射的閾值電流過(guò)高的問(wèn)題。一種電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的制備方法，包括在襯底正面沉積ZnO薄膜，置于鹽酸中進(jìn)行腐蝕，取出清洗干凈，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電極均可采用直流反應(yīng)濺射的方法，在ZnO薄膜上沉積SW2薄膜可采用溶膠-凝膠法。本發(fā)明所述的表面織構(gòu)化是指ZnO薄膜表面經(jīng)鹽酸腐蝕后形成高低起伏的形貌。優(yōu)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(shí)間為3 15秒。優(yōu)選的，所述襯底正面沉積ZnO薄膜后，先于氧氣氛下加熱處理，接著置于鹽酸中進(jìn)行腐蝕，以提高SiO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，加熱處理溫度優(yōu)選為600 800°C，時(shí)間優(yōu)選為1 3小時(shí)。本發(fā)明還提供了上述制備方法制得的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器。本發(fā)明的有益效果在于相對(duì)于傳統(tǒng)的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，本發(fā)明方法制得的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的閾值電流顯著降低，從實(shí)施例1和實(shí)施例2可以看出，閾值電流下降了一
半左右。


圖1為本發(fā)明電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1中未經(jīng)表面織構(gòu)化處理的ZnO薄膜的掃描電鏡照片；圖3為實(shí)施例1中ZnO薄膜經(jīng)表面織構(gòu)化處理之后的掃描電鏡照片；圖4為實(shí)施例1中經(jīng)表面織構(gòu)化處理后的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器在不同電流下的發(fā)光譜；圖5為實(shí)施例1中未經(jīng)表面織構(gòu)化處理的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器在不同電流下的發(fā)光譜；圖6為實(shí)施例1中的兩種電抽運(yùn)隨機(jī)激光器在不同電流下的輸出光功率曲線，曲線1對(duì)應(yīng)于經(jīng)表面織構(gòu)化處理后的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，曲線2對(duì)應(yīng)于未經(jīng)表面織構(gòu)化處理的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器；圖7為實(shí)施例2中ZnO薄膜經(jīng)表面織構(gòu)化處理之后的掃描電鏡照片；圖8為實(shí)施例2中經(jīng)表面織構(gòu)化處理后的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器在不同電流下的發(fā)光譜。
具體實(shí)施例方式如圖1所示一種電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，包括由N型硅片制成的襯底1，襯底正面沉積有發(fā)光層2，該發(fā)光層2為表面織構(gòu)化ZnO薄膜，發(fā)光層沉積有勢(shì)壘層3，勢(shì)壘層3為SW2 薄膜，勢(shì)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(guò)以下方法制備得到。實(shí)施例11)取電阻率為0.005歐姆 厘米、大小為15 X 15mm2、厚度為675微米的兩片N型 <100>硅片，清洗后放入直流反應(yīng)濺射裝置的反應(yīng)室中，將反應(yīng)室真空抽至5 X IO-3Pa ；在硅片上利用直流反應(yīng)濺射的方法沉積約160歷厚的ZnO薄膜，在濺射時(shí)，采用純金屬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(qiáng)為8Pa ；在氧氣氣氛、700°C的溫度下進(jìn)行熱處理2小時(shí)；2)采用濃度為0.02mol/L的稀鹽酸溶液，在40°C下對(duì)其中一片硅片上的ZnO薄膜腐蝕10秒，接下來(lái)用去離子水將殘留的HCl溶液沖洗干凈；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硅酸乙酯(TEOS)乙醇(EtOH) =1 10(摩爾比)的前驅(qū)體溶液，并加入微量的HCl作為催化劑，攪拌2小時(shí)后，作為SW2的前驅(qū)體溶膠。在上述兩種ZnO薄膜以3000轉(zhuǎn)/秒的速度旋涂一層SW2的前驅(qū)體溶膠薄膜，接著在100°C下烘干20分鐘，最后在空氣中于550°C 熱處理1小時(shí)形成SiO2薄膜；4)在SW2薄膜上濺射約20nm厚的半透明Au電極，在硅襯底背面濺射沉積IOOnm 厚的Au電極，上述兩邊Au電極均呈直徑IOmm的圓形。未經(jīng)表面織構(gòu)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(jīng)過(guò)表面織構(gòu)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(xiàn)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，硅襯底背面的Au電極連接負(fù)極，測(cè)試兩個(gè)器件在不同注入電流下的電致發(fā)光光譜。如圖4、圖5所示。光譜中的尖銳峰是由ZnO的隨機(jī)激光引起的。對(duì)經(jīng)表面織構(gòu)化處理后的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器而言，當(dāng)注入電流達(dá)僅為8mA時(shí)，隨機(jī)激光即可發(fā)生(如圖4所示)，而對(duì)未經(jīng)表面織構(gòu)化處理的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器而言，注入電流需達(dá)到20mA時(shí)，隨機(jī)激光才能發(fā)生(如圖5所示)。圖6是兩種電抽運(yùn)隨機(jī)激光器在不同電流下的輸出光功率曲線，可以看到當(dāng)注入電流大于某一閾值時(shí)，輸出功率隨電流增長(zhǎng)得更快，這是激光的典型特征。另外還可以看到經(jīng)表面織構(gòu)化處理后的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的閾值電流約為6mA，而未經(jīng)表面織構(gòu)化處理的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的閾值電流為16mA。這一結(jié)果有力地說(shuō)明對(duì) ZnO薄膜進(jìn)行表面織構(gòu)化處理可以顯著地降低電抽運(yùn)隨機(jī)激光的閾值電流。實(shí)施例21)取電阻率為0.005歐姆 厘米、大小為15X 15mm2、厚度為675微米的N型<100> 硅片，清洗后放入直流反應(yīng)濺射裝置的反應(yīng)室中，將反應(yīng)室真空抽至5X10_3I^;在硅片上利用直流反應(yīng)濺射的方法沉積約160歷厚的ZnO薄膜，在濺射時(shí)，采用純金屬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(qiáng)為 SPa ；在氧氣氣氛、700°C的溫度下進(jìn)行熱處理2小時(shí)；2)采用濃度為0. Olmol/L的稀鹽酸溶液，在40°C下對(duì)ZnO薄膜腐蝕10秒，接下來(lái)用去離子水將殘留的HCl溶液沖洗干凈；3)利用溶膠-凝膠法在經(jīng)表面織構(gòu)化處理后的ZnO薄膜上沉積SW2薄膜，具體步驟如下配置正硅酸乙酯(TEOS)乙醇(EtOH) =1 10(摩爾比)的前驅(qū)體溶液，并加入微量的HCl作為催化劑，攪拌2小時(shí)后，作為SW2的前驅(qū)體溶膠。在上述兩種ZnO薄膜以 3000轉(zhuǎn)/秒的速度旋涂一層SW2的前驅(qū)體溶膠薄膜，接著在100°c下烘干20分鐘，最后在空氣中于550°C熱處理1小時(shí)形成SW2薄膜；4)在SW2薄膜上濺射約20nm厚的半透明Au電極，在硅襯底背面濺射沉積IOOnm 厚的Au電極，上述兩邊Au電極均呈直徑IOmm的圓形。經(jīng)掃描電鏡觀察上述表面織構(gòu)化后的ZnO薄膜表明，表面織構(gòu)化使薄膜粗糙度增加，在晶界附近出現(xiàn)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，硅襯底背面的Au電極連接負(fù)極，測(cè)試器件在不同注入電流下的電致發(fā)光光譜，以實(shí)施例1中的未經(jīng)表面織構(gòu)化的ZnO薄膜器件為參比器件。如圖8所示，當(dāng)注入電流僅為9mA時(shí)，隨機(jī)激光即可發(fā)生。而對(duì)未經(jīng)表面織構(gòu)化的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器而言，注入電流需達(dá)到20mA時(shí)，隨機(jī)激光才能發(fā)生(如圖5所示)。這一結(jié)果說(shuō)明，對(duì)ZnO薄膜進(jìn)行表面織構(gòu)化可以降低電抽運(yùn)隨機(jī)激光的閾值電流，當(dāng)織構(gòu)化條件改變時(shí)，電抽運(yùn)隨機(jī)激光的閾值電流降低的程度會(huì)隨之改變。
權(quán)利要求
1.一種電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的制備方法，包括在襯底正面沉積ZnO薄膜，置于鹽酸中進(jìn)行腐蝕，取出清洗干凈，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(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述鹽酸的濃度為0.005 0.03mol/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的腐蝕溫度為20 50°C，時(shí)間為3 15秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述襯底正面沉積ZnO薄膜后，先于氧氣氛下加熱處理，接著置于鹽酸中進(jìn)行腐蝕。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述加熱處理溫度為600 800°C， 時(shí)間為1 3小時(shí)。
6.權(quán)利要求1 5任一所述制備方法制得的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于表面織構(gòu)化ZnO膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器及制備方法，該方法包括在襯底正面沉積ZnO薄膜，置于鹽酸中進(jìn)行腐蝕，取出清洗干凈，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(duì)于傳統(tǒng)的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，本發(fā)明方法制得的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的閾值電流顯著降低，從實(shí)施例1和實(shí)施例2可以看出，閾值電流下降了一半左右。
文檔編號(hào)H01S5/327GK102263373SQ201110172770
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者李云鵬, 楊德仁, 馬向陽(yáng) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)