一種基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種以MoO3為空穴注入層的基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨機激射是一種產(chǎn)生于無序增益介質(zhì)中的發(fā)光現(xiàn)象，利用光在無序介質(zhì)中的多重散射來獲得持續(xù)的光增益。
[0003]相比于傳統(tǒng)意義的激光，隨機激射器件的制備技術(shù)簡單，價格低廉，并不需要像二極管激光器一樣制備精確的諧振腔，而且還具有許多獨特的性能。隨機激射的發(fā)光峰線寬很窄，發(fā)光方向隨機分布，這使得隨機激射器件在顯示、軍事、醫(yī)學(xué)診斷、成像等領(lǐng)域具有特殊的應(yīng)用價值。
[0004]ZnO是直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體，發(fā)光效率高，其近帶邊輻射發(fā)光位于近紫外波段，ZnO的激子束縛能為60meV，在量子阱中甚至可以達到263meV，遠高于室溫下的熱離化能(26meV)。因此ZnO中的激子可以在室溫下穩(wěn)定存在，這有利于實現(xiàn)室溫下高量子效率的激子受激輻射，并且ZnO材料具有較高的光增益系數(shù)和折射率，因此ZnO材料被認為是制備紫外隨機激光器的理想材料。
[0005]馬向陽等利用金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了 ZnO多晶薄膜的電抽運隨機激射(參考文獻:X.Y.Ma, P.L.Chen，D.S.Li，Y.Y.Zhang, and D.R.Yang.Electricallypumped ZnO film ultrav1let random lasers on silicon substrate.Appl.Phys.Lett.91，2007，251109);隨后，馬向陽等利用MOS結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了 ZnO納米棒陣列的電抽運隨機激射(參考文獻:X.Y.Ma, J.ff.Pan，P.L.Chen, D.S.Li，H.Zhang, Y.Yang，and D.R.Yang，Room temperature electrically pumped ultrav1let random lasing from ZnO nanorodarrays on S1.0pt.Express.17，2009，14426)。
[0006]申請?zhí)枮?00910099487.2的專利公開了一種硅基氧化鋅納米棒陣列電抽運隨機激光器，在硅襯底的正面自下而上依次生長ZnO薄膜、ZnO納米棒陣列、SiCV薄膜和半透明電極，在硅襯底背面沉積歐姆接觸電極。該發(fā)明還公開了該電抽運隨機激光器的制備方法:用磁控濺射法在清洗后的η型硅片上生長ZnO薄膜；采用化學(xué)水浴沉積法在ZnO薄膜上生長ZnO納米棒陣列并在空氣氣氛下進行熱處理；用溶膠-凝膠法在ZnO納米棒陣列上生長SiCV薄膜；在S1 2薄膜上濺射半透明電極，在硅襯底背面濺射歐姆接觸電極。該發(fā)明的硅基氧化鋅納米棒陣列電抽運隨機激光器結(jié)構(gòu)簡單，在足夠的正向偏壓(Si接負極)下可以獲得來自于ZnO納米棒陣列的紫外電抽運隨機激光。
[0007]以上幾種電抽運ZnO隨機激光器均為MOS結(jié)構(gòu)，即硅襯底上依次為ZnO發(fā)光層、S12勢皇層以及Au半透明電極，其隨機激射的閾值電壓在4.0V至7.0V左右。
[0008]電抽運ZnO隨機激射器件走向?qū)嶋H應(yīng)用，其中一個關(guān)鍵的問題在于如何在較低的閾值電流和閾值電壓下獲得隨機激射。對于微電子和光電子領(lǐng)域的器件來說，過高的工作電流會增加能耗，同時電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)會使器件性能退化；過高的閾值電壓會限制器件的應(yīng)用范圍。
[0009]因此，進一步降低閾值電壓是電抽運隨機激射的發(fā)展目標(biāo)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種以MoO3為空穴注入層的基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器，解決了電抽運隨機激光器的閾值電壓過高的問題，同時提高了器件的輸出光功率。
[0011]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0012]一種基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器，包括硅襯底，硅襯底的正面自下而上依次設(shè)有ZnO薄膜、SiCV薄膜和半透明電極，硅襯底背面設(shè)有歐姆接觸電極，所述ZnO薄膜和S12薄膜之間設(shè)有MoO 3薄膜。
[0013]本發(fā)明提供的電抽運隨機激光器為ZnO-MoO3-S12結(jié)構(gòu)，即硅襯底上依次為ZnO薄膜、MoCV薄膜、S1 2薄膜以及Au半透明電極，其中ZnO薄膜為發(fā)光層，MoO 3薄膜為空穴注入層，SiCV薄膜為勢皇層，相對于MOS結(jié)構(gòu)的電抽運隨機激光器，本發(fā)明公開的電抽運隨機激光器的閾值電壓顯著降低，輸出光功率明顯提高。
[0014]這種效果來自以下原因:在MOS結(jié)構(gòu)的電抽運隨機激光器中，在足夠高的正向偏壓下，N型硅襯底和ZnO提供了大量的電子，溶膠-凝膠制備的SiCV薄膜中的缺陷可作為電子陷阱向ZnO注入空穴，但是空穴的濃度受到SiCV薄膜的缺陷數(shù)量的限制，在MOS器件中空穴濃度小于電子的濃度，沒有足夠多的空穴和電子復(fù)合，最終限制了器件的發(fā)光功率。加入MoOjI層后，由于MoO 3具有較大的功函數(shù)，MoO 3的導(dǎo)帶會接近甚至低于ZnO的價帶的位置，可以為ZnO價帶中的電子提供空的量子態(tài)，即ZnO價帶中的電子可以進入MoO3的導(dǎo)帶以及缺陷態(tài)能級中，從而向ZnO有效地注入了大量空穴。在這種情況下，器件的空穴濃度可以和電子濃度相匹配，增強了光增益系數(shù)，光在傳播的過程中可以獲得更大的光增益，從而降低了器件的閾值電壓并增大了光輸出功率。
[0015]作為優(yōu)選，所述的MoCV薄膜的厚度為2?10納米。
[0016]再優(yōu)選，所述的MoCV薄膜的厚度為2?5納米。
[0017]作為優(yōu)選，所述的ZnO薄膜的厚度為30?200納米。
[0018]作為優(yōu)選，所述的SiCV薄膜的厚度為30?100納米。
[0019]作為優(yōu)選，所述的半透明電極為半透明Au電極。所述的半透明電極的厚度為10?30納米。
[0020]作為優(yōu)選，所述硅襯底為N型〈100〉硅片。硅片的電阻率為0.005歐姆?厘米、大小為15X 15_2、厚度為675微米。
[0021]本發(fā)明的第二個目的是提供一種基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器的制備方法，包括如下步驟:
[0022](I)在硅襯底正面采用射頻磁控濺射沉積ZnO薄膜；
[0023](2)在ZnO薄膜上采用射頻磁控濺射沉積MoCV薄膜；
[0024](3)在MoCV薄膜上采用溶膠-凝膠法沉積S1 2薄膜；
[0025](4)在SiCV薄膜上濺射半透明電極，在硅襯底背面濺射歐姆接觸電極。
[0026]其中，步驟(2)中的射頻磁控濺射功率為80?120W，襯底溫度為20?200°C。
[0027]為提高ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，對步驟(I)中沉積的ZnO薄膜進行熱處理，所述熱處理的溫度為300?900°C，時間為0.5?5小時。
[0028]作為優(yōu)選，熱處理氣氛為氧氣，熱處理溫度為600?800 °C，熱處理時間為I?3小時。
[0029]為去除溶劑及提高SiCV薄膜的絕緣性能，對步驟(3)中沉積的S12薄膜進行熱處理，所述熱處理的溫度為300?700°C，時間為0.5?3小時。
[0030]作為優(yōu)選，熱處理氣氛為空氣，熱處理溫度為450?650°C，熱處理時間為I?2小時。
[0031]本發(fā)明的有益效果在于:
[0032]本發(fā)明提供的電抽運隨機激光器為ZnO-MoO3-S12的結(jié)構(gòu)，其中MoO 3薄膜作為空穴注入層，使得隨機激光器的閾值電壓顯著降低，輸出光功率明顯提高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2為實施例1中基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器在不同電流下的發(fā)光譜圖；
[0035]圖3為對比例I中MOS結(jié)構(gòu)ZnO薄膜電抽運隨機激光器在不同電流下的發(fā)光譜圖；
[0036]圖4為實施例1和對比例I中的兩種電抽運隨機激光器在不同電流下的輸出光功率曲線；
[0037]其中“〇”對應(yīng)于本發(fā)明基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器，“籲”對應(yīng)于MOS結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜電抽運隨機激光器；
[0038]圖5為實施例2中基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器在不同電流下的發(fā)光譜圖。
[0039]1、硅襯底；2、ZnO薄膜；3、MoCV薄膜；4、S12薄膜；5、半透明電極；6、歐姆接觸電極。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合實施例和附圖詳細說明本發(fā)明。
[0041]如圖1所示，本發(fā)明基于ZnO薄膜的電抽運隨機激光器，包括:硅襯底1、在硅襯底I的正面自下而上依次沉積的ZnO薄膜2、Mo(V薄膜3、S1 2薄膜4和半透明電極5，以及在硅襯底I背面沉積的歐姆接觸電極6。
[0042]實施例1
[0043](I)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〉硅片作為襯底，清洗后