專利名稱：基于摻入鈦酸鋅顆粒的氧化鋅薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種基于摻入鈦酸鋅顆粒的氧化鋅薄膜的 電抽運(yùn)隨機(jī)激光器。
背景技術(shù)：
寬禁帶半導(dǎo)體SiO(室溫下禁帶寬度為3. 37eV)具有直接帶隙和高激子束縛能 (60meV，激子可在室溫下穩(wěn)定存在)，有望成為GaN的替代材料在短波長光電子器件領(lǐng)域獲 得廣泛應(yīng)用。ZnO多晶薄膜具有高的光增益；同時(shí)它具有高的折射率，因而光的多重散射作 用顯著。因此，ZnO多晶薄膜是制備電抽運(yùn)紫外隨機(jī)激光器的理想材料。2007年，申請(qǐng)人 所在的研究組已利用金屬-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) M^t (X. Y. Ma, P. L. Chen, D. S. Li, Y. Y. Zhang, D. R. Yang, Electrically pumped ZnO film ultraviolet random lasers on siliconsubstrate. 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。進(jìn)一步降低閾值電流是電抽運(yùn)隨機(jī)激光領(lǐng) 域的一個(gè)重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，可 以顯著降低器件的閾值電流。一種基于摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，包括襯底和襯底 上的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜摻有Si2TiO4納米顆粒。所述的Zn2TiO4納米顆粒的粒徑為5 20nm。所述的SiO薄膜中Ti和Si的摩爾比為1 10 30。本發(fā)明還提供了一種上述電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的制備方法，包括以鑲嵌純金屬Ti條的Si靶為靶材，利用直流反應(yīng)濺射在襯底正面沉積摻入 Zn2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜，在氧氣氣氛下600 800°C加熱1 3小時(shí)后利用溶膠-凝 膠法在ZnO薄膜上沉積SiO2薄膜，在襯底背面和SW2薄膜上濺射沉積Au電極。所述的直流反應(yīng)濺射功率為80 120W。所述的襯底溫度為200 400°C。所述的純金屬Ti條占整個(gè)靶材面積的1/8 1/20。本發(fā)明的有益效果在于與基于單純ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器相比，基于摻 入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的閾值電流顯著降低。


圖1為本發(fā)明的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1中摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜的高分辨透射電鏡照片，ZnO 和Zn2TiO4的晶粒在圖中圖出。
圖3為實(shí)施例1中基于摻入Si2TiO4納米顆粒的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，ZnO薄膜中Ti和Si的摩爾比約為1 20，薄膜在氧氣氣氛下700°C 熱處理2小時(shí)；圖4為實(shí)施例1中基于單純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)于基于摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器(Ti Zn=I 20)， 曲線2對(duì)應(yīng)于基于單純ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器。圖6為實(shí)施例2中基于摻入Si2TiO4納米顆粒的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，ZnO薄膜中Ti和Si的摩爾比約為1 30，薄膜在氧氣氣氛下800°C 熱處理3小時(shí)；
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為摻入Si2TiO4納米顆粒的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的金薄膜4 和金薄膜5，作為器件的電極。該器件可以通過以下方法制備得到。實(shí)施例11)取電阻率為0.005歐姆 厘米、大小為15X 15mm2、厚度為675微米的N型<100> 硅片，清洗后放入濺射裝置的反應(yīng)室中，將反應(yīng)室真空抽至5X 10_3 Pa ；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 ；在硅片上利用直流反應(yīng)濺射的方法沉積 約ISOnm厚的單純ZnO薄膜和摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜注在濺射ZnO薄膜時(shí)， 采用純度為99. 99%的Si靶；在濺射摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜時(shí)，采用鑲嵌純金屬 Ti條(純度為99. 99% )的Si靶，Ti條的面積占整個(gè)靶材濺射面積的1/8，濺射功率為 100W，襯底溫度300°C。濺射得到的薄膜在氧氣氣氛下于700°C熱處理2小時(shí)；2)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；3)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)高分辨透射電鏡觀察上述摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜表明，Zn2TiO4納米 顆粒的尺寸在5-20nm之間(如圖2所示)。此外，電子能譜測(cè)試表明，薄膜中元素Ti和Si 的摩爾比約為1 20。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3、圖4所示。光譜中的尖 銳峰是由ZnO的隨機(jī)激光引起的。對(duì)基于摻入Si2TiO4納米顆粒的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6mA時(shí)，隨機(jī)激光即可發(fā)生(如圖3所示)，而對(duì)基于單純ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器而言，注入電流需達(dá)到18mA時(shí)，隨機(jī)激光才能發(fā)生(如圖4所 示)°圖5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得更快，這是激光的典型特征。另外還可以看 到基于摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的閾值電流約為6mA，而基 于單純ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的閾值電流為18mA。這一結(jié)果有力地說明在ZnO薄膜 中摻入Si2TiO4納米顆?？梢燥@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，清洗后放入濺射裝置的反應(yīng)室中，將反應(yīng)室真空抽至5X ；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 ；在硅片上利用直流反應(yīng)濺射的方法沉積約 ISOnm厚的摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜注采用鑲嵌純金屬Ti條(純度為99. 99%) 的Si靶，Ti條的面積占整個(gè)靶材濺射面積的1/20，濺射功率為100W，襯底溫度300°C。濺 射得到的薄膜在氧氣氣氛下于800°C熱處理3小時(shí)；2)利用溶膠-凝膠法在上述摻入Si2TiO4納米顆粒的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；3)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)高分辨透射電鏡觀察上述摻入Si2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜表明，Si2TiO4納米 顆粒的尺寸與實(shí)施例1中相近，在5-20nm之間。此外，電子能譜測(cè)試表明，薄膜中元素Ti 和Si的摩爾比約為1 30。 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中的純ZnO薄膜器件為參比器 件。如圖6所示，當(dāng)注入電流達(dá)僅為IOmA時(shí)，隨機(jī)激光即可發(fā)生。而對(duì)基于單純ZnO薄膜 的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器而言，注入電流需達(dá)到18mA時(shí)，隨機(jī)激光才能發(fā)生(如圖6所示)。這 一結(jié)果說明，在ZnO薄膜中摻入Si2TiO4納米顆?？梢越档碗姵檫\(yùn)隨機(jī)激光的閾值電流，當(dāng) ^i2TiO4納米顆粒的摻入量和熱處理?xiàng)l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
1.一種基于摻入Si2TiO4顆粒的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，包括襯底和襯底上的 ZnO薄膜，其特征在于，所述的ZnO薄膜摻有Si2TiO4納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，其特征在于，所述的Si2TiO4納米顆粒的 粒徑為5 20nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，其特征在于，所述的ZnO薄膜中Ti和Si 的摩爾比為1 10 30。
4.一種權(quán)利要求1所述的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的制備方法，包括以鑲嵌純金屬Ti條的Si靶為靶材，利用直流反應(yīng)濺射在襯底正面沉積摻入Zn2TiO4納 米顆粒的ZnO薄膜，在氧氣氣氛下600 800°C加熱1 3小時(shí)后利用溶膠-凝膠法在ZnO 薄膜上沉積SW2薄膜，在襯底背面和SW2薄膜上濺射沉積Au電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于摻入鈦酸鋅顆粒的氧化鋅薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器，該器件包括襯底和襯底上的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜摻有Zn2TiO4納米顆粒。與基于單純ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器相比，基于摻入Zn2TiO4納米顆粒的ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激光器的閾值電流顯著降低。
文檔編號(hào)H01S5/30GK102122794SQ20111002500
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者李云鵬, 楊德仁, 馬向陽 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)