[发明专利]一种微激光器阵列的制备方法

说明书

技术领域

    本发明设计利用气相传输法或水热法制备高品质单晶ZnO微米棒，分离出单根ZnO微米棒并将之与镀有金属Zn薄膜的p型GaN结合，经过退火形成pn结。将一端镀有Au电极的透明导电玻璃盖在集成好ZnO微米棒阵列的p型GaN衬底上，然后在透明导电玻璃(ITO、ZAO等)和p型GaN之间注入环氧乙酯，通过对环氧乙酯退火固定器件的内部结构，最后在p型GaN表面制备欧姆接触电极。上述方法制备的发光pn结能够获得高品质的紫外电泵浦回音壁模微激光辐射。

背景技术

    自日本科学家和美国科学家相继发现了ZnO薄膜和纳米线中的紫外光机辐射以来，ZnO中成为了设计紫外激光器的理想材料。ZnO微纳米结构中的紫外激射模式可以分为三种：随机激光、Fabry-Perot激光，回音壁模激光。随机激光是在ZnO粉末或薄膜中产生，这种激光辐射行为是由于光在不同晶粒边界不断反射而形成一个随机闭合共振光路产生的。因为晶体边界散射严重，因此随机激光光路中的光学损耗大，通常随机激射阈值十分高，并且激射模式不固定。F-P模激光是光线在一维ZnO微纳米棒的两端被反射而形成的共振产生的，这种模式的激光是最典型的传统激光器的工作模式，然而由于ZnO两端界面处反射率较低，因F-P模激射的阈值也比较高。回音壁模激射是利用光路在ZnO六边形微米棒中内不断全反射形成的，可以想象光学全反射能有效的将光线束缚在腔体内，因此光学损耗及其微弱，所以ZnO微米棒能输出高品质因子和低阈值的回音壁模激光辐射。目前在ZnO微米棒中实现的回音壁模激射已经证明了回音壁模激射具有极低的激射阈值和极高的激光品质。

目前，上述三种模式ZnO的紫外激射基本都是在光学泵浦下实现的，人们均采用了脉冲激光器泵浦ZnO微纳米结构以使粒子数发生反转，使得光学增益大于光学损耗以形成激光辐射。现有的研究工作已经开始着力于发展氧化锌电致发光，由于人们难以获得稳定的p型ZnO材料。因此研究者通常在p型硅或p型GaN表面生长ZnO薄膜形成pn结，而这种薄膜pn结由于缺少合适的腔体结构，并且光学损耗高，所以很难获得回音壁激光辐射。ZnO微米棒单晶具有六角纤维锌矿结构，提供一个理想的激光腔体结构，形成的回音壁模式有较低的激光阈值，固定的激光模式和输出方向。n型ZnO微米棒/ZnO 缓冲层/p型GaN结构的回音壁模微腔激光二极管的制备已有报道。但此种结构由于中间涉及到反应离子刻蚀和掩模板镀电极等复杂工艺，在加工过程中容易将微米棒移动位置，甚至破坏ZnO单晶微米棒，不利于产业化。

基于上述问题，这里我们提出了一种新的结构n型ZnO微米棒/p型GaN。利用气相传输法或水热法制备高品质单晶ZnO微米棒，分离出单根ZnO微米棒并将之与镀有金属Zn薄膜的p型GaN结合，经过退火形成pn结。利用单根ZnO光滑的表面，可以在内部形成全反射，使光损耗减小，增益提高，有利于激光的出射。将一端镀有Au电极的透明导电玻璃(ITO或ZAO等)盖在集成好ZnO微米棒阵列的p型GaN衬底上，然后在透明导电玻璃和p型GaN之间注入环氧乙酯，通过对环氧乙酯退火，固定器件的内部结构，使器件稳定性提高，工作寿命增加。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种构筑电泵浦高品质低阈值ZnO紫外激光二极管阵列的方法。其激光输出波长通过调节ZnO微米棒直径得到调控。

技术方案：本发明中，利用气相传输法或水热法制备高品质单晶ZnO微米棒，分离出单根ZnO微米棒并将之与镀有金属Zn薄膜的p型GaN结合，经过退火形成pn结。将一端镀有Au电极的透明导电玻璃(ITO或ZAO等)盖在集成好ZnO微米棒阵列的p型GaN衬底上，然后在透明导电玻璃和p型GaN之间注入环氧乙酯，通过对环氧乙酯退火固定器件的内部结构，最后在p型GaN表面制备欧姆接触电极。最终获得n型ZnO微米棒/p型GaN为紫外回音壁模微激光二极管阵列。

本发明采用以下技术方案：

第一步：将纯度均为99.99%的ZnO粉末和碳粉末按照质量比1:1混合研磨，取适量的混合物填入陶瓷舟内，将与陶瓷舟开口面积大小接近的硅片经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气冲干，将硅片抛光面朝下覆盖与陶瓷舟上方；随后将陶瓷舟推入温度为1000～1200°C的管式炉中，经过30～60分钟反应，ZnO微米棒阵列生长于硅片表面，

第二步：将p型GaN经过丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气吹干,利用磁控溅射在p型GaN其表面生长一层厚度约20～30纳米的Zn膜，溅射时间为40～60秒，溅射功率约60W；