專利名稱：一種構(gòu)筑電泵浦回音壁模ZnO紫外微激光器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)利用氣相傳輸法或水熱法制備高品質(zhì)單晶ZnO微米棒，分離出單根ZnO微米棒并將之與有緩沖層的P型GaN結(jié)合，經(jīng)過對緩沖層的處理，與GaN形成接觸良好的Pn結(jié)，接著在其表面濺射一層無機(jī)透明絕緣薄膜，其次利用反應(yīng)離子刻蝕或者光刻技術(shù)使ZnO微米棒表面暴露，最后將石墨烯轉(zhuǎn)移到ZnO微米棒表面作為電極，并在P型GaN表面制備電極，形成完整的器件。以上述方法和工藝流程獲得的發(fā)光Pn結(jié)能夠獲得高品質(zhì)的電泵紫外回音壁模激光。
背景技術(shù)：
自日本科學(xué)家和美國科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了 ZnO薄膜和納米線中的紫外光輻射以來，ZnO成為設(shè)計(jì)紫外激光器的理想材料。ZnO微納米結(jié)構(gòu)中的紫外激射模式可以分為三種隨機(jī)激光、法布里珀羅(F-P)激光、回音壁模激光。在隨機(jī)激光中，相干反饋是靠回程散射自·發(fā)形成的，由于晶體邊界散射嚴(yán)重造成光路中的光學(xué)損耗大，因此隨機(jī)激射閾值十分高，并且激射模式不固定。F-P型激光其工作原理類似于傳統(tǒng)的F-P腔激光器，兩平行面相當(dāng)于兩個(gè)腔鏡，然而由于ZnO兩端界面處反射率較低，因此F-P模激射的閾值也比較高?；匾舯谀＜ど涫抢霉饴吩赯nO六邊形微米棒中內(nèi)不斷全反射形成的，光學(xué)全反射能有效的將光線束縛在腔體內(nèi)，因此光學(xué)損耗極其微弱，所以ZnO回音壁模微米棒能輸出高品質(zhì)因子和低閾值的激光輻射。目前，上述三種模式ZnO的紫外激射在光泵浦下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的，人們均采用了脈沖激光器泵浦ZnO微納米結(jié)構(gòu)以使粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，使得光學(xué)增益大于光學(xué)損耗以形成激光輻射?，F(xiàn)有的研究工作已經(jīng)開始著力于發(fā)展ZnO電致發(fā)光，由于人們難以獲得穩(wěn)定的P型ZnO材料。因此研究者通常在P型硅或P型GaN表面生長ZnO薄膜形成pn結(jié)，而這種薄膜Pn結(jié)由于缺少合適的腔體結(jié)構(gòu)，只能形成沒有固定模式的隨機(jī)激光。隨機(jī)激光的穩(wěn)定性和可重復(fù)性不強(qiáng)，而且激光波長是不可控的，所以隨機(jī)激光仍然是不夠理想的。ZnO微米棒具有六角纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，提供一個(gè)理想的激光腔體結(jié)構(gòu)，形成的回音壁模式有較低的激光閾值，固定的激光模式和輸出方向，因此將ZnO微米棒作為微激光器的振蕩微腔將是一個(gè)理想的選擇。η型ZnO微米棒/緩沖層/p型GaN結(jié)構(gòu)的回音壁模微激光器的制備已有報(bào)道。但是由于金屬電極的不透光性，激光的在出射時(shí)造成了很大的損耗。用透明導(dǎo)電薄膜(如氧化銦錫(ITO)，氧鋅鋁(ZAO)等)作為電極，雖然透光性增強(qiáng)，卻犧牲了載流子濃度。石墨烯具有高載流子濃度和高透光性，是作為電極的理想材料。所以我們提出了石墨烯/n型ZnO微米棒/緩沖層/p型GaN這種結(jié)構(gòu)，加入緩沖層既保證了 pn結(jié)構(gòu)，使各層之間良好的電學(xué)接觸，又改善了 ZnO微米棒腔體中的全反射條件，使光損耗會降低，增益提高。同時(shí)石墨烯作為電極提高了光的透射率，有利于激光品質(zhì)的提聞。該方法首先利用氣相傳輸法制備出ZnO微米棒單晶，然后將單根ZnO微米棒轉(zhuǎn)移到有緩沖層的P型GaN上固定,通過對緩沖層的處理,ZnO微米棒與p型GaN之間能形成接觸良好的異質(zhì)結(jié)。然后在有ZnO微米棒的P型GaN表面制備一層絕緣薄膜(如Si02，Al203等透明絕緣材料)，接著采用反應(yīng)離子刻蝕或者光刻技術(shù)把ZnO微米棒表面刻蝕出來，最后將石墨烯轉(zhuǎn)移到暴露出ZnO微米棒襯底上，經(jīng)過低溫加壓使石墨烯與ZnO微米棒良好接觸；在P型GaN表面制備金屬電極,構(gòu)成完整的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。該方法制備的微激光器可以通過選擇不同尺寸的ZnO微米棒以調(diào)制激光波長和模式，同時(shí)利用石墨烯的導(dǎo)電性和透光性實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的紫外激光輸出。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種構(gòu)筑電泵浦回音壁模ZnO紫外微激光器的方法。其激光輸出波長通過調(diào)節(jié)ZnO微米棒直徑得到調(diào)控。技術(shù)方案本發(fā)明中，利用氣相傳輸法制備高品質(zhì)ZnO微米棒，分離出單根ZnO微米棒，并轉(zhuǎn)移到有緩沖層的P型GaN襯底表面，經(jīng)過處理形成良好的pn結(jié)。然后在GaN襯底表面制備一層絕緣薄膜(如Si02，Al2O3等透明絕緣材料)，接著采用反應(yīng)離子刻蝕或者光刻技術(shù)把ZnO微米棒表面刻蝕出來，將石墨烯轉(zhuǎn)移在露出ZnO微米棒的襯底上，經(jīng)過低溫·加壓使石墨烯與ZnO微米棒良好接觸；最后在P型GaN表面制備金屬電極,構(gòu)成完整的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案第一步將純度均為99. 00 99. 99%的ZnO粉末和碳粉末按照質(zhì)量比I : I I 2. 5混合研磨，取該混合物填入陶瓷舟內(nèi)；將與陶瓷舟開口面積大小的硅片經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，將硅片拋光面朝下覆蓋與陶瓷舟上方，隨后將陶瓷舟推入溫度為1000 1200攝氏度的管式爐中，經(jīng)過30 60分鐘反應(yīng)，ZnO微米棒陣列生長于娃片表面，第二步將P型GaN經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，利用磁控濺射在P型GaN其表面制備一層厚度20 30納米的金屬鋅膜，第三步從ZnO微米棒陣列中挑選單根ZnO微米棒,將之平放轉(zhuǎn)移到第二步制備好的金屬鋅薄膜表面，隨后將之放置于管式爐中在氧氛圍中退火I I. 5小時(shí)，退火溫度是450 500攝氏度，使得20 30納米厚度的金屬鋅膜完全成為ZnO膜，該層ZnO薄膜將上層ZnO微米棒和下層P型GaN有效地連接在一起形成了良好的pn結(jié)，第四步利用磁控濺射GaN襯底表面鍍上一層無機(jī)透明絕緣層薄膜，厚度為5 8微米，覆蓋ZnO微米棒，第五步采用光刻對透明絕緣薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕厚度約I 2微米，使ZnO微米
棒表面暴露，第六步將石墨烯轉(zhuǎn)移到GaN表面，覆蓋ZnO微米棒，使石墨烯和ZnO微米棒良好的電極接觸，第七步通過電子束蒸鍍方法，在P型GaN表面制備20 30納米厚度的Ni-Au電極，最終制備完整的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。第二種制備方法為第一步將純度均為99. 00 99. 99%的ZnO粉末和碳粉末按照質(zhì)量比I : I I 2. 5混合研磨，取該混合物填入陶瓷舟內(nèi)；將與陶瓷舟開口面積大小的硅片經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，將硅片拋光面朝下覆蓋與陶瓷舟上方，隨后將陶瓷舟推入溫度為1000 1200攝氏度的管式爐中，經(jīng)過30 60分鐘反應(yīng)，ZnO微米棒陣列生長于娃片表面，第二步將P型GaN經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈桑渲频腜型聚合物氯仿溶液，旋涂于P型GaN表面；旋涂速度在2秒鐘內(nèi)由靜止?fàn)顟B(tài)加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速2000 4000轉(zhuǎn)/分鐘，保持該轉(zhuǎn)速10 20秒鐘，形成厚度20 30納米的p型聚合物薄膜，第三步從ZnO微米棒陣列中分離出單根ZnO微米棒,將之平放轉(zhuǎn)移至P型聚合物薄膜表面，然后進(jìn)行溫度為100-120攝氏度的加熱，該層P型聚合物薄膜將上層ZnO微米棒和下層P型GaN有效地連接在一起形成了良好的pn結(jié)，第四步利用磁控濺射GaN表面鍍上一層無機(jī)透明絕緣層薄膜，厚度為5 8微米，覆蓋單根ZnO微米棒，第五步采用反應(yīng)離子刻蝕，對透明絕緣薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕厚度約I 2微米，使 ZnO微米棒表面暴露，第六步將石墨烯轉(zhuǎn)移到GaN襯底表面，覆蓋ZnO微米棒，使石墨烯和ZnO微米棒良好的電極接觸，第七步通過電子束蒸鍍方法，在P型GaN表面制備20 30納米厚度的Ni/Au電極，最終制備完整石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I、采用石墨烯作為電極，利用石墨烯的載流子高濃度特性和高透光性，提高激光的激射和透射率。2、本發(fā)明利用邊界光滑的單根微米ZnO微米棒形成自然的回音壁微腔，其光學(xué)損耗小，更利于微激光的形成。3、本發(fā)明中ZnO薄膜緩沖層或P型聚合物薄膜可保證各層之間良好的電學(xué)接觸，提高了載流子濃度注入。4、本發(fā)明制備的ZnO微米棒直徑可調(diào)，因此微激光器的激光模式和激光波長可調(diào)，相比于ZnO薄膜中產(chǎn)生的電泵隨機(jī)激光更具有實(shí)用價(jià)值。


圖I氣相傳輸發(fā)制備的ZnO微米棒陣列。插圖是單根ZnO微米棒SEM圖。圖2 (a-d)石墨烯/n型ZnO微米棒/緩沖層/p型GaN微激光器制備示意圖。圖3 (a-d)石墨烯/n型ZnO微米棒/ZnO薄膜/p型GaN微激光器制備示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的構(gòu)筑電泵浦回音壁模ZnO紫外微激光器的制備方法為第一步將純度均為99. 99%的ZnO粉末和碳粉末按照質(zhì)量比I : I I : 2. 5混合研磨，取O. 3 O. 5克該混合物填入陶瓷舟內(nèi)。將與陶瓷舟開口面積大小接近的硅片經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，將硅片拋光面朝下覆蓋與陶瓷舟上方。隨后將陶瓷舟推入溫度為1000 1200攝氏度的管式爐中。經(jīng)過30 40分鐘反應(yīng)，ZnO微米棒陣列生長于硅片表面(見圖I)，單根ZnO微米棒是六角纖維鋅礦的晶體結(jié)構(gòu)(見圖I中的插圖)。第二步緩沖層分為兩種，無機(jī)物緩沖層和有機(jī)類導(dǎo)電聚合物緩沖層。方法1，將P型GaN經(jīng)過丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈桑么趴貫R射在P型GaN其表面生長一層厚度約20 30納米的Zn膜。方法2，將P型GaN經(jīng)過丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，配制O. I O. 5mg/mL p型有機(jī)聚合物(如PVK、PF、PPV、P3HT及其衍生物等P型聚合物半導(dǎo)體)氯仿溶液，旋涂于P型GaN表面；旋涂速度在2秒鐘內(nèi)由靜止?fàn)顟B(tài)加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速2000 4000轉(zhuǎn)/分鐘，隨后保持該轉(zhuǎn)速10 20秒鐘，形成厚度約20 30納米的p型聚合物薄膜。第三步方法1，從ZnO微米棒陣列中挑選單根ZnO微米棒，將之平放至由第二步制備好的金屬Zn薄膜表面。隨后將之放置于管式爐中在氧氛圍中退火I小時(shí)左右，退火溫度是450 500攝氏度，使得20 30納米厚度的金屬Zn膜完全成為ZnO膜，該層ZnO薄膜將上層ZnO微米棒和下層P型GaN有效地連接在一起形成了 pn結(jié)。(見圖2a) 方法2，從ZnO微米棒陣列中分離出單根ZnO微米棒，將之平放至P型聚合物薄膜表面，然后進(jìn)行加熱(100 120攝氏度)，該層薄膜將上層ZnO微米棒和下層P型GaN有效地連接在一起形成pn結(jié)。(見圖2a)第四步利用磁控濺射在GaN襯底表面鍍上一層透明絕緣層薄膜(如Si02、Al203等)，厚度為5 8微米，覆蓋單根ZnO微米棒。(見圖2b)第五步對于第四步制備好的覆蓋有約5 8微米透明絕緣薄膜的樣品，采用反應(yīng)離子刻蝕，對透明絕緣薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕厚度約I 2微米，使ZnO微米棒暴露。(見圖2c)第六步將石墨烯轉(zhuǎn)移到GaN襯底表面，覆蓋單根ZnO微米棒，使石墨烯和ZnO微米棒形成良好接觸。第七步通過電子束蒸鍍方法，在P型GaN表面制備20 30納米厚度的Ni/Au電極，最終制備完整的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。(見圖2d)。(以制備腔體直徑為9微米的ZnO微米棒，石墨烯/n型ZnO微米棒/ZnO緩沖層/P型GaN微激光器為例)第一步將純度均為99. 99%的ZnO粉末和碳粉末按照質(zhì)量比I : I混合研磨，取O. 5克該混合物填入陶瓷舟內(nèi)。將2cmX3cm的硅片經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈桑瑢⒐杵瑨伖饷娉赂采w與陶瓷舟上方。隨后將陶瓷舟推入溫度為1150攝氏度的管式爐中。經(jīng)過40分鐘反應(yīng)，ZnO微米棒陣列生長于硅片表面(見圖I)，單根ZnO微米棒是六角纖維鋅礦的晶體結(jié)構(gòu)。(見圖I中插圖)第二步將I厘米X3厘米型GaN經(jīng)過丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?。利用磁控濺射在P型GaN其表面生長一層厚度約20納米的金屬Zn薄膜，濺射時(shí)間為40秒,濺射功率約60瓦。第三步將該微米棒平放集成至由第二步制備好的金屬Zn薄膜表面。隨后將之放置于管式爐中在氧氛圍中退火I小時(shí)，退火溫度是495攝氏度，使得20納米厚度的金屬Zn薄膜完全成為ZnO薄膜,該層薄膜將上層ZnO微米棒和下層p型GaN有效地連接在一起形成pn結(jié)。(見圖3a)
第四步利用磁控濺射GaN襯底表面鍍上一層SiO2薄膜，厚度為6微米。(見圖3b)第五步對于第四步制備好的覆蓋有約6微米SiO2薄膜的樣品，采用光刻對SiO2薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕厚度約2微米，使ZnO微米棒表面暴露。(見圖3c)第六步將石墨烯轉(zhuǎn)移刻蝕過的GaN襯底表面，覆蓋單根ZnO微米棒，使石墨烯和ZnO微米棒良好接觸。 第七步通過電子束蒸鍍方法，在P型GaN表面制備30納米厚度的Ni/Au電極，最終形成完整的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。(見圖3d)。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)筑電泵浦回音壁模ZnO紫外微激光器的制備方法,其特征在于該制備方法為 第一步將純度均為99. 00 99. 99%的ZnO粉末和碳粉末按照質(zhì)量比I : I I : 2.5混合研磨，取該混合物填入陶瓷舟內(nèi)；將與陶瓷舟開口面積大小的硅片經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，將硅片拋光面朝下覆蓋與陶瓷舟上方，隨后將陶瓷舟推入溫度為1000 1200攝氏度的管式爐中，經(jīng)過30 60分鐘反應(yīng)，ZnO微米棒陣列生長于娃片表面， 第二步將P型GaN經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，利用磁控濺射在P型GaN其表面制備一層厚度20 30納米的金屬鋅膜， 第三步從ZnO微米棒陣列中挑選單根ZnO微米棒,將之平放轉(zhuǎn)移到第二步制備好的金屬鋅薄膜表面，隨后將之放置于管式爐中在氧氛圍中退火I I. 5小時(shí)，退火溫度是450 500攝氏度，使得20 30納米厚度的金屬鋅膜完全成為ZnO膜，該層ZnO薄膜將上層ZnO微米棒和下層P型GaN有效地連接在一起形成了良好的pn結(jié)， 第四步利用磁控濺射GaN襯底表面鍍上一層無機(jī)透明絕緣層薄膜，厚度為5 8微米，覆蓋ZnO微米棒， 第五步采用光刻對透明絕緣薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕厚度約I 2微米，使ZnO微米棒表面暴露， 第六步將石墨烯轉(zhuǎn)移到GaN表面，覆蓋ZnO微米棒，使石墨烯和ZnO微米棒良好的電極接觸， 第七步通過電子束蒸鍍方法，在P型GaN表面制備20 30納米厚度的Ni-Au電極，最終制備完整的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。
2.—種構(gòu)筑電泵浦回音壁模ZnO紫外微激光器的制備方法,其特征在于該制備方法為 第一步將純度均為99. 00 99. 99%的ZnO粉末和碳粉末按照質(zhì)量比I : I I : 2.5混合研磨，取該混合物填入陶瓷舟內(nèi)；將與陶瓷舟開口面積大小的硅片經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，將硅片拋光面朝下覆蓋與陶瓷舟上方，隨后將陶瓷舟推入溫度為1000 1200攝氏度的管式爐中，經(jīng)過30 60分鐘反應(yīng)，ZnO微米棒陣列生長于娃片表面， 第二步將P型GaN經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?，配制的P型聚合物氯仿溶液，旋涂于P型GaN表面；旋涂速度在2秒鐘內(nèi)由靜止?fàn)顟B(tài)加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速2000 4000轉(zhuǎn)/分鐘，保持該轉(zhuǎn)速10 20秒鐘，形成厚度20 30納米的p型聚合物薄膜， 第三步從ZnO微米棒陣列中分離出單根ZnO微米棒,將之平放轉(zhuǎn)移至p型聚合物薄膜表面，然后進(jìn)行溫度為100-120攝氏度的加熱，該層P型聚合物薄膜將上層ZnO微米棒和下層P型GaN有效地連接在一起形成了良好的pn結(jié)， 第四步利用磁控濺射GaN表面鍍上一層無機(jī)透明絕緣層薄膜，厚度為5 8微米，覆蓋單根ZnO微米棒， 第五步采用反應(yīng)離子刻蝕，對透明絕緣薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕厚度約I 2微米，使ZnO微米棒表面暴露， 第六步將石墨烯轉(zhuǎn)移到GaN襯底表面，覆蓋ZnO微米棒，使石墨烯和ZnO微米棒良好的電極接觸， 第七步通過電子束蒸鍍方法，在P型GaN表面制備20 30納米厚度的Ni/Au電極，最終制備完整石墨烯/n型Zn O微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種構(gòu)筑電泵浦回音壁模ZnO紫外微激光器的制備方法。該方法利用氣相傳輸法或水熱法制備出ZnO微米棒單晶，然后將單根ZnO微米棒轉(zhuǎn)移到有緩沖層的p型氮化鎵(GaN)上，通過對緩沖層的處理，使ZnO微米棒與p型GaN之間形成接觸良好的異質(zhì)結(jié)。接著在其表面制備一層絕緣薄膜，采用反應(yīng)離子刻蝕或者光刻技術(shù)把ZnO微米棒表面刻蝕出來，然后將石墨烯轉(zhuǎn)移到ZnO微米棒上，使石墨烯與ZnO微米棒形成良好的接觸；最后在p型GaN表面制備金屬電極，構(gòu)成完的石墨烯/n型ZnO微米棒/p型GaN異質(zhì)結(jié)微激光器。該方法制備的微激光器利用了石墨烯的高載流子濃度和高透光性，可實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的紫外激光輸出。
文檔編號H01S5/02GK102904158SQ20121040249
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者徐春祥, 朱剛毅, 理記濤, 田正山, 石增良 申請人:東南大學(xué)