[发明专利]一种基于ZnO薄膜的电抽运随机激光器

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种以MoO₃为空穴注入层的基于ZnO薄膜的电抽运随机激光器及其制备方法。

背景技术

随机激射是一种产生于无序增益介质中的发光现象，利用光在无序介质中的多重散射来获得持续的光增益。

相比于传统意义的激光，随机激射器件的制备技术简单，价格低廉，并不需要像二极管激光器一样制备精确的谐振腔，而且还具有许多独特的性能。随机激射的发光峰线宽很窄，发光方向随机分布，这使得随机激射器件在显示、军事、医学诊断、成像等领域具有特殊的应用价值。

ZnO是直接带隙的宽禁带半导体，发光效率高，其近带边辐射发光位于近紫外波段，ZnO的激子束缚能为60meV，在量子阱中甚至可以达到263meV，远高于室温下的热离化能(26meV)。因此ZnO中的激子可以在室温下稳定存在，这有利于实现室温下高量子效率的激子受激辐射，并且ZnO材料具有较高的光增益系数和折射率，因此ZnO材料被认为是制备紫外随机激光器的理想材料。

马向阳等利用金属-氧化物-半导体(MOS)结构实现了ZnO多晶薄膜的电抽运随机激射(参考文献：X.Y.Ma，P.L.Chen，D.S.Li，Y.Y.Zhang，and D.R.Yang.Electrically pumped ZnO film ultraviolet random lasers on silicon substrate.Appl.Phys.Lett.91，2007，251109)；随后，马向阳等利用MOS结构实现了ZnO纳米棒阵列的电抽运随机激射(参考文献：X.Y.Ma，J.W.Pan，P.L.Chen，D.S.Li，H.Zhang，Y.Yang，and D.R.Yang，Room temperature electrically pumped ultraviolet random lasing from ZnO nanorod arrays on Si.Opt.Express.17，2009，14426)。

申请号为200910099487.2的专利公开了一种硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器，在硅衬底的正面自下而上依次生长ZnO薄膜、ZnO纳米棒阵列、SiO₂薄膜和半透明电极，在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。该发明还公开了该电抽运随机激光器的制备方法：用磁控溅射法在清洗后的n型硅片上生长ZnO薄膜；采用化学水浴沉积法在ZnO薄膜上生长ZnO纳米棒阵列并在空气气氛下进行热处理；用溶胶-凝胶法在ZnO纳米棒阵列上生长SiO₂薄膜；在SiO₂薄膜上溅射半透明电极，在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。该发明的硅基氧化锌纳米棒阵列电抽运随机激光器结构简单，在足够的正向偏压(Si接负极)下可以获得来自于ZnO纳米棒阵列的紫外电抽运随机激光。

以上几种电抽运ZnO随机激光器均为MOS结构，即硅衬底上依次为ZnO发光层、SiO₂势垒层以及Au半透明电极，其随机激射的阈值电压在4.0V至7.0V左右。

电抽运ZnO随机激射器件走向实际应用，其中一个关键的问题在于如何在较低的阈值电流和阈值电压下获得随机激射。对于微电子和光电子领域的器件来说，过高的工作电流会增加能耗，同时电流产生的热效应会使器件性能退化；过高的阈值电压会限制器件的应用范围。

因此，进一步降低阈值电压是电抽运随机激射的发展目标之一。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种以MoO₃为空穴注入层的基于ZnO薄膜的电抽运随机激光器，解决了电抽运随机激光器的阈值电压过高的问题，同时提高了器件的输出光功率。

本发明采用的技术方案为：

一种基于ZnO薄膜的电抽运随机激光器，包括硅衬底，硅衬底的正面自下而上依次设有ZnO薄膜、SiO₂薄膜和半透明电极，硅衬底背面设有欧姆接触电极，所述ZnO薄膜和SiO₂薄膜之间设有MoO₃薄膜。