[發明專利]一種硅襯底ZnO基低閾值電泵浦隨機激光器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201310011755.7
• 申請日: 2013-01-11
• 公開（公告）號: CN103022898A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 史志鋒;杜國同;張寶林;張源濤;李萬程;董鑫
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01S5/34
• 分類號: H01S5/34;H01S5/347
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術領域

本發明屬于半導體發光器件技術領域，具體涉及一種基于硅襯底ZnO基低閾值電泵浦隨機激光器件及其制備方法。

背景技術

由于光電技術的發展，使得ZnO材料在紫外短波長光電器件領域受到越來越多的關注。ZnO為直接寬帶隙半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，是制備室溫紫外半導體激光器、發光管的理想材料。與GaN材料相比，ZnO具有更高的熔點、更高的激子束縛能、更低的外延生長溫度和制備成本，同時其易于刻蝕，使芯片的后道加工更加容易。因此，ZnO基激光器、發光管等研制成功有可能取代或部分取代GaN基光電器件，將會有更大的應用前景。

由于ZnO薄膜具有較強的光增益和較高的折射率，使得其在制備紫外隨機激光方面具有明顯的優勢。隨機增益介質中激光現象的研究經歷了30多年的歷史，在這一領域，H.Cao等人在ZnO半導體隨機介質中觀察到的受激輻射現象最受關注（H.Cao，Y.G.Zhao，H.C.Ong，S.T.Ho，J.Y.Dai，J.Y.Wu，and?R.P.H.Chang，Appl.Phys.Lett.73，3656（1998））。近年來，國際上一些研究小組已經成功地在ZnO納米結構中實現了光泵浦受激發射現象，并用唯象的環形腔理論較好地解釋了隨機介質中的激光特性。但是要想使ZnO隨機激光器件真正的實用化，其最大的挑戰是要實現有效的電泵浦隨機激光輸出。

目前，人們正在致力于實現大規模硅基光電集成。顯然，如果能夠實現硅基ZnO薄膜的電泵浦隨機激光器件，無疑有廣闊的應用前景。2007年X.Y.Ma等人利用金屬-絕緣層-半導體（MOS）結構，在n型硅上制備了Au/SiO_x/ZnO?MOS器件，成功實現了ZnO薄膜的電抽運隨機激射（X.Y.Ma，P.L.Chen，D.S.Li，Y.Y.Zhang，and?D.R.Yang，Appl.Phys.Lett.90，231106（2007））。2010年Y.Tian等人同樣利用MOS結構在n型硅上制備了Au/MgZnO/ZnO隨機激光器件（Y.Tian，X.Y.Ma，L.Jin，and?D.R.Yang，Appl.Phys.Lett.97，251115（2010））。但是對于該型結構的隨機激光器件，由于沒有合適的載流子限制機制，其閾值電流超過了50mA。如此高的閾值電流將在器件中產生嚴重的發熱效應，導致激射波長的漂移，甚至使得器件的激射現象停止，這些對于激光器的穩定工作是非常不利的。所以實現ZnO隨機激光器件在低閾值條件下的穩定輸出是至關重要的，這也是未來ZnO基隨機激光器件一個重要的研究課題之一。

發明內容

本發明的目的就是為解決上述ZnO基激光器件閾值電流高這一問題，利用圖形化的載流子限制層對器件的結構進行改進，制備技術比較成熟，工藝簡單，與現行成熟的硅器件工藝兼容，能夠實現低閾值電流下穩定的隨機激光輸出。

本發明的技術方案是：

本發明所設計的一種新型硅襯底ZnO基低閾值電泵浦隨機激光器件（見附圖1和附圖說明），其芯片依次由硅襯底背面沉積的歐姆接觸電極層6、硅襯底1、近本征的ZnO發光層3（具體制備方法見實施例1中4）、n型的MgZnO電子注入層4（具體制備方法見實施例1中4）和半透明的Au電極構成；MgZnO薄膜既作為電子注入層，又作為發射光的透明窗口層；其特征在于，在硅襯底1和近本征的ZnO發光層3之間引入具有圓形窗口陣列7的SiO₂電流限制層2，該限制層的使用可以有效地降低激光器件的閾值電流；半透明的Au電極為正方形電極陣列5，每個正方形電極的中心與SiO₂電流限制層2上圓形窗口的中心相對應。

一種如前面所述的新型硅襯底ZnO基低閾值電泵浦隨機激光器件的制備方法，其步驟如下：

（1）在清洗后的硅襯底1的一個表面上制備SiO₂電流限制層2；

（2）采用光刻腐蝕或光刻膠剝離工藝在SiO₂電流限制層2上制備圓形窗口陣列7；

（3）采用MOCVD法在具有圓形窗口陣列7的SiO₂電流限制層2上外延生長近本征的ZnO發光層3和n型的MgZnO電子注入層4；