GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体发光器件及其制备方法技术领域，特别是涉及一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光管或激光器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]GaN系材料在固态照明领域和信息领域已经在广泛的应用。ZnO和GaN的能带宽度和晶格常数十分接近，并且具有相近的光电特性。但是，相比于GaN材料，ZnO具有更高的熔点和激子束缚能^OmeV)、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使加工更容易，使器件的制备更方便等等。因此，ZnO基发光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代GaN基光电器件，会有更大的应用前景，受到人们的重视。
[0003]由于ZnO单晶薄膜的外延制备目前还不成熟，致密、均匀一致的ZnO单晶薄膜很难获得，同时P型ZnO材料制备技术也还不成熟，于是人们尝试采用ZnO微米棒和p_Si或P-GaN材料结合制备发光器件。Yingtian Xu等人在文献“JOURNAL OF LUMINESCENCE149(2014)313 - 316”中报道了一种ZnO微米棒和ρ-Si结合的发光管，这样的发光管输出功率非常低，且光出射的方向性较差。Jun Dai等人在文献“ADVANCED MATERIALS23(2011)4115-4119”中报道了一种ZnO微米棒和p_GaN结合的激光器件，该激光器件是基于回音壁谐振模式，这种激射模式的激光是在ZnO微米棒侧面的几个拐角处分散出射的，方向性也不好，不利于光纤耦合等定向应用，且增益区很短，因而输出功率也非常低。
[0004]总之，上述报道的ZnO微米棒发光管和激光器输出功率非常低，光出射的方向性不好。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述ZnO基发光器件的这一困难，提供一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件(发光管或激光器)及其制备方法，以提高器件输出功率，改善激光的方向性。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]本发明所设计的GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件(见附图1和【附图说明】)，其特征在于:依次由下电极1、衬底2、ZnO微米棒4、空穴注入层6和上电极7构成，衬底2是η型导电(电子浓度为5.0XlO17- 1.0X10 1W)的GaAs晶体片，ZnO微米棒4沿着衬底2的〈011〉方向放置，并和衬底2之间用焊料3烧结在一起，ZnO微米棒4周围用PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙稀酸甲醋)或聚酰亚胺等有机填充物5填平，有机填充物5的高度与ZnO微米棒4的直径相同；空穴注入层6采用Li掺杂(Li的原子浓度为5%?8% )的p-N1薄膜材料；沿垂直于衬底2的〈011〉方向，即沿衬底2的(1，1，O)面将衬底2和ZnO微米棒4解理成巴条，再将巴条锯切成含有一个ZnO微米棒4的管芯；ZnO微米棒4解理后形成的前、后端面构成发光管的出光面或激光器的前反射镜和后反射镜(形成法布里-珀罗谐振腔)。
[0008]ZnO微米棒4的制备方法很多，如化学气相沉积法、水热合成法、热蒸发法、化学溶液法等等或市场购买，无论哪种方法制备的ZnO微米棒均可用于本专利，其结构参数要求是非故意掺杂的η型(其电子浓度为3.0X 115?1.5X 10 16CnT3) ΖηΟ，直径0.5?10微米，长度200?5000微米。
[0009]进一步为了更好把握ZnO微米棒4沿衬底2放置的方向，可以沿着衬底2的〈011〉方向预先在衬底2上用光刻和化学腐蚀的方法刻蚀出平底的V型沟槽，ZnO微米棒4放置在V型沟槽内，沟槽的深度视所采用ZnO微米棒4的直径而定，要小于ZnO微米棒4的直径，一般为ZnO微米棒4直径的1/3?2/3，沟槽的底部宽度要大于ZnO微米棒4的直径(0.5?10微米)，以3?20微米为宜；然后蒸镀焊料3，把ZnO微米棒4放置在平底的V型沟槽内，再烧结，制备V型沟槽GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件，如附图2所示。
[0010]因为η型InP晶体片的导电和解理性能和η型GaAs晶体片大体相同，所以这种ZnO微米棒端面出光发光器件还可以采用η型(电子浓度为5.0X 117?1.0X10 19cm_3) InP晶体片为衬底2 (GaAs晶体片和InP晶体片均可购买得到)。
[0011]本发明所述的GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件(发光管或激光器)的制备方法，其特征在于:焊料3采用热蒸发的方法蒸镀在GaAs衬底2上，空穴注入层6采用磁控溅射或MOCVD (金属有机气相沉积)方法进行制备。
[0012]具体方法是:
[0013]A.在衬底2上采用热蒸发的方式蒸镀10纳米?2微米厚的In焊料3，将直径0.5?10微米的ZnO微米棒4沿着衬底2的〈011〉方向放置，然后在真空或气体(H2、N2、Ar均可)保护下烧结，烧结温度为160?250°C ;
[0014]B.ZnO微米棒4和衬底2用焊料3烧结在一起后，在焊料3及ZnO微米棒4上涂覆PMMA等有机填充物5，在200?400°C下烘干有机填充物5，再用等离子刻蚀机将ZnO微米棒4上面多余的有机填充物5刻蚀去掉，使焊料3上涂覆的有机填充物5的高度与ZnO微米棒4的直径相等；
[0015]C.再在ZnO微米棒4和有机填充物5上面溅射Li掺杂(Li的原子浓度为5%?8% )的p-N1材料薄膜作为空穴注入层6，p-N1薄膜厚度为50?500纳米；然后在空穴注入层6上面蒸镀上电极7 ;上、下电极材料可用Au、N1-Au、T1-Au> Zn-Au或Pt-Au等合金材料中的一种或两种，其厚度为100?600纳米，蒸镀上、下电极的方法是热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射等方法；
[0016]D.将衬底2减薄至60?150微米，再在衬底的下表面蒸镀金属下电极1，然后在惰性气体保护下进行退火，退火温度为300?450°C ;
[0017]E.沿垂直于衬底2〈011>方向的(1，1，0)面将蒸镀好上、下电极的衬底2解理成长度为100微米?2毫米的巴条，再将巴条锯切成含有一个ZnO微米棒4的管芯(宽度为100微米?I毫米)，这样就制备成了如图1所示的长方型(矩形)发光管或激光器管芯，ZnO微米棒4解理后形成的前、后端面构成发光管的出光面或激光器的前反射镜和后反射镜，形成谐振腔，巴条长度就是激光器谐振腔的腔长；
[0018]F.最后，将含有一个ZnO微米棒4的管芯焊接在热沉或支架上，便制备得到端面出光的发光器件。
[0019]V型沟槽GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件(发光管或激光器)制备步骤如下:
[0020]A.在GaAs晶体片衬底2上面沿着〈011〉方向预先光刻腐蚀出平底的V型沟槽，沟槽的深度视所采用ZnO微米棒4的直径而定，要小于ZnO微米棒4的直径，一般为ZnO微米棒4直径的1/3?2/3，V型沟槽的底部宽度要大于ZnO微米棒4的直径(0.5?10微米)，以3?20微米为宜；衬底2上面的平底V型沟槽刻蚀好后蒸镀In焊料3，再将ZnO微米棒4放置在平底的V型沟槽内；然后在真空或气体(H2、N2、Ar均可)保护下烧结，烧结温度为160 ?250。。；
[0021]B.ZnO微米棒4和衬底2用焊料3烧结在一起后，在衬底2及ZnO微米棒4上涂覆PMMA等有机填充物5，在200?400°C下烘干有机填充物5，再用等离子刻蚀机将ZnO微米棒4上面多余的有机填充物5刻蚀去掉，使衬底2上涂覆的有机填充物5与ZnO微米棒4的高度相等；
[0022]C.再在ZnO微米棒4和有机填充物5上面溅射Li掺杂(Li的原子浓度为5 %?8% )的p-N1材料薄膜作为空穴注入层6，p-N1薄膜厚度50?500纳米即可，在空穴注入层6上面蒸镀上电极7 ;上、下电极材料可用Au、N1-Au、T1-Au、Zn-Au或Pt-Au等合金材料中的一种或两种，其厚度为100?600纳米，蒸镀上、下电极的方法是热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射等方法；
[0023]D.将衬底减薄至60?150微米，再在衬底2的下表面蒸镀金属下电极1，然后在惰性气体保护下退火，退火温度为300?450°C ;
[0024]E.沿垂直于衬底2〈011>方向的(1，1，0)面将蒸镀好上、下电极的衬底2解理成长度为100微米?2毫米的巴条，再将巴条锯切成含有一个ZnO微米棒4的管芯，这样就制备成了如图2所示的长方型(矩形)发光器件(发光管或激光器)管芯(宽度为100微米?I毫米)，衬底2解理时ZnO微米棒4也随之解理，ZnO微米棒4解理后形成的前、后端面构成发光管的出光面或激光器的前反射镜和后反射镜，前反射镜和后反射镜形成谐振腔，巴条长度就是激光器谐振腔的腔长；
[0025]F.最后，将含有一个ZnO微米棒4的发光器件管芯焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管或激光器。
[0026]本发明的效果和益处是:
[0027]本发明制备了 GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件的增益区较长，可以提高器件输出功率，其激光器件的谐振腔是法布里-珀罗谐振腔，激光的方向性变好，进一步拓展了器件的应用范围。
【附图说明】
[0028]图1:GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件结构示意图；
[0029]图2:V型沟槽GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件结构示意图；
[0030]图中各部分的名称为:下电极1、衬底2、焊料3、ZnO微米棒4、有机填充物5、空穴注入层6、上电极7 ;
[0031]图3:光刻腐蚀出平底V型沟槽的GaAs衬底断面扫描电镜照片；
[0032]图4:GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光管电注入发光光谱；
[0033]图5:计算的GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的激光器光出射的发散角和ZnO微米棒4直径的关系曲线。
【具体实施方式】
[0034]以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例和实施工艺。
[0035]实施例1:
[0036]GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件。这种端面出光的发光器件见附图1，其制备过程为，采用η型GaAs晶体片(电子浓度为5.0 X 1018cm_3)为衬底2，在GaAs晶体片衬底2上用热蒸发台蒸镀100纳米的In焊料3，将直径2微米左右的ZnO微米棒4沿着衬底2的〈011〉方向放置，放入合金炉中真空加热烧结，温度加至200°C;Zn0微米棒4和衬底2用焊料3烧结在一起后，涂覆PMMA有机填充物5，用350°C烘干PMMA有机填