[发明专利]十二边形氧化锌回音壁模紫外微激光异质结二极管的制备

说明书

技术领域

本发明设计利用高温气相传输法制备高品质单晶氧化锌十二边形截面微米棒阵列，将单根十二边形氧化锌微米棒与p型氮化镓衬底结合形成半导体pn结。利用聚甲基丙烯酸甲酯覆盖pn结表面，再利用反应离子刻蚀使氧化锌表面暴露，随后分别在p型氮化镓和氧化锌微米棒表面分别制备欧姆接触电极。该半导体pn结在较低驱动电流下即可产生紫外电致辐射，并且在提高驱动电流的时候可以实现获得高品质的紫外电泵浦回音壁模微激光辐射。

背景技术

1997年日本科学家首次在氧化锌薄膜中观察到了低阈值的光泵浦激发产生的紫外激光辐射。随后2001年美国科学家在Science上首次报道了光泵浦氧化锌纳米线紫外激光器，该结果开创性的利用氧化锌纳米线轴向方向的光学反馈增强实现了模式清晰的Fabry-Perot激光。同时，研究结果显示氧化锌材料比目前应用广泛的氮化镓紫外发光材料具有更高的光学增益。这些重要的结果说明氧化锌是设计紫外激光器的理想材料。目前在不同形貌的氧化锌微纳米结构中的已经实现了紫外激光辐射，这些激光辐射根据光学腔体的反馈增强模式可以分为三种：随机激光、Fabry-Perot激光、回音壁模激光。通过广泛的实验结果对比可以发现，回音壁模激光具有极高的品质因子和极低的激射阈值。目前氧化锌回音壁模紫外激射是利用氧化锌正六边形截面作为光学微腔而实现的，光路在正六边形微腔内全反射从而形成回音壁模激射，这种情况下光线能够被腔体内壁全反射形成光学回路，因此光学损耗极其微弱，所以氧化锌回音壁模微米棒能输出高品质因子和低阈值的激光辐射。

目前，多篇文献已经报道了纳秒或飞秒脉冲激光泵浦下实现的六边形氧化锌微米棒中的紫外回音壁模微激光辐射，结果显示回音壁模微激光模式、模式间距、品质因子以及激光阈值可以通过腔体直径的大小进行有效调节。然而要实现氧化锌材料在半导体微激光器领域的应用，必须要进行电泵浦发光二极管的实验探索。最近几年，研究者在氧化锌薄膜及纳米线中实现了电泵浦紫外随机激光辐射，然而随机激光辐射波长及输出方向难以控制，并且辐射强度与阈值无法固定，因此该类型的器件难以被实际应用。2011年美国加州大学在Nature Nanotechnology杂志上报道了氧化锌纳米棒二极管中产生的电泵浦Fabry-Perot激光。同年，本小组在Advanced Materials杂志上报道了六边形氧化锌微米棒/氮化镓薄膜异质结中的回音壁模紫外激光辐射，这两例电泵浦激光辐射的结果均显示了模式清晰的激光辐射，然而其品质因子较低，与工业应用的实际微激光器仍存在很大的距离。因此提高氧化锌微激光腔的品质因子是亟待解决的问题之一。

基于以上的研究背景介绍，设计更高品质因子的氧化锌微腔结构，将该微腔和p型氮化镓材料结合形成pn异质结回音壁模微激光器，这对推进氧化锌材料在紫外激光器方面的应用具有十分重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种十二边形氧化锌回音壁模紫外微激光异质结二极管的制备方法。该激光二极管的激光输出波长可以通过调节氧化锌微米棒直径得到调控，从而可实现380nm-400nm之间不同波长输出的紫外微激光。

技术方案：在本发明中，利用高温气相传输法制备十二边形截面的氧化锌微米棒阵列，将单根氧化锌微米棒分散在p型氮化镓衬底上，形成pn结构的异质结。其后在pn结上旋涂PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜，对PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜进行反应离子刻蚀后，在p型氮化镓和氧化锌上分别利用射频磁控溅射制备接触电极。最终获得十二边形回音壁模紫外微激光器。

本发明采用以下技术方案：

第一步：将纯度均为99.99％的氧化锌粉末和碳粉末按质量比1∶1混合后充分研磨，将上述研磨粉末作为反应源填入陶瓷舟内。将1.5cm*3cm的硅片经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后吹干，将该硅片抛光面朝下覆盖在陶瓷舟上方。随后将陶瓷舟放置于两端开口的试管中，并将该试管推入温度约为1100℃至1150℃的管式炉中，经过20至30分钟的反应时间，具有十二边形截面的氧化锌微米棒阵列生长于硅片表面。

第二步：将上一步制备的氧化锌微米棒阵列分散在乙醇溶液中，然后将该溶液旋涂在p型氮化镓衬底表面上形成pn结。

第三步：利用丙酮溶解PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)颗粒形成透明均匀溶液，利用匀胶机将之旋涂于第二步制备好的样品表面，形成的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜完全覆盖的pn结。

第四步：将第三步制备好的覆盖有PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)薄膜的样品置于反应离子刻蚀机腔体内进行刻蚀，使氧化锌微米棒的上表面暴露出来。