专利名称：电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器及其制备方法。
背景技术：
ZnO是一种宽禁带化合物半导体材料，室温下具有3.37eV的直接带隙和 60meV的激子束缚能，在紫外发光二极管(LEDs)和紫外激光二极管(LDs) 方面有重要的应用前景。1999年，H. Cao等人利用ZnO粉末获得室温光泵浦紫 外随机激光，从而引发了随机激光的研究热潮(参考文献H. Cao, Y G. Zhao, S. T. Ho, E. W. Seelig, Q. H. Wang, and R. P. H. Chang, Phys. Rev. Lett. 82， 2278 (1999))。这种随机激光器由于不需要常规谐振腔，因此可以将激光的尺寸縮小 到微米量级，从而在诸多方面有着潜在的应用(参考文献R. R Service, Science 276,895 (1997))。在过去的十年中，室温光抽运ZnO紫外随机激光得到了广泛 的研究，在多晶薄膜、粉末和多种纳米结构中都发现了随机激光(参考文献 R Cao, Y. G. Zhao, H. C Ong, S. T. Ho, J. Y. Dai, J. Y Wu and R. P. R Chang, Appl. Phys. Lett. 73, 3656 (1998); C. Yuen, S. F. Yu, E. S. P. Leong, H. Y. Yang, S. P. Lau， N. S. Chen, and H. H. Hng, Appl. Phys. Lett. 86， 031112 (2005); X. H. Zhang, S. J. Chua， A. M. Yong， H. D. Li, S. F. Yu， and S. P. Lau, Appl. Phys. Lett. 88, 191112 (2006); A. B. Djurisic and Y. H. Leung, Small 2, 944 (2006))。在获得光抽运ZnO紫 外随机激光时，通常用脉冲Nd:YAG (掺钕钇铝石榴石)激光器作为抽运源，其 抽运激光波长为355nm，脉冲频率为10Hz，脉冲宽度的量级为ns或ps，得到 ZnO随机激光所需的抽运强度的量级通常不小于105 W/cm2。而用作光致发光激 发源的连续波He-Cd激光器由于功率太小， 一般认为不能抽运ZnO得到随机激 光。
发明内容
本发明的目的是提出一种电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器及其 制备方法。
本发明的电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器，其特征是在硅衬底 的正面自下而上依次沉积ZnO薄膜、Si02薄膜和半透明电极，在硅衬底背面沉 积欧姆接触电极。
上述的半透明电极可以是半透明Au电极或ITO电极。发明的电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器的制备方法，包括以下 步骤
1) 利用直流反应磁控溅射或溶胶—凝胶法在清洗后的电阻率为0.005-50欧 姆-厘米的n型硅片上生长ZnO薄膜；
2) 利用化学气相沉积法或蒸发法或溶胶一凝胶法在硅片上沉积Si02薄膜并 在氧气氛下于800°C热处理2小时；
3) 在Si02薄膜上溅射半透明电极，在n型硅衬底背面溅射欧姆接触电极。 上述步骤l)中的直流反应磁控溅射法，是以纯Zn (纯度为99.99%)为靶材，
在沉积温度为200-600°C、溅射功率为100-160 W、 02和Ar的流量比为1:2-3:1、 工作压强为5-15Pa的条件下，沉积得到c轴取向性生长的ZnO薄膜；通过改变 沉积温度、溅射功率、02和Ar的流量比以及工作压强，可以调节ZnO薄膜的 晶体质量和厚度。
上述步骤l)中的溶胶一凝胶法，是将醋酸锌(Zn(Ac)2.2H20)溶于乙二醇甲 醚溶液中，并加入乙醇胺作为稳定剂，搅拌得到Zn的摩尔浓度为0.6-1.5M的前 驱体溶液，然后在转速为3000-5000转/分钟下旋涂30-60秒，旋涂后在300°C 下烘干20分钟后进行下一次旋涂，如此重复3-5次，最后在800°C于氧气下热 处理2小时，从而得到非取向性生长的ZnO薄膜；通过改变旋涂前驱体溶液中 Zn的摩尔浓度、旋涂转速和时间、以及重复旋涂次数，可以调节ZnO薄膜的厚 度。
上述步骤2)中的化学气相沉积法，是以正硅酸四乙酯(TEOS)为气源，在 300-500°C的沉积温度和80-120Torr的工作压强下沉积得到Si(V薄膜；通过改 变沉积温度和工作压强，可以调节Si02薄膜的绝缘性能和厚度。
上述步骤2)中的蒸发法，是以石英颗粒为蒸发源，利用电子束蒸发方法沉 积Si02薄膜；通过改变沉积时间，可以调节Si02薄膜的厚度。
上述步骤2)中的溶胶一凝胶法，是采用摩尔比为正硅酸四乙酯(TEOS): 乙醇(EtOH) :H2O=l:10:4的前驱体溶液，并加入适量的HC1作为催化剂，然 后在转速为3000-5000转/分钟下旋涂30-60秒，旋涂后在80°C下烘干20分钟， 从而得到SiCV薄膜；通过改变旋涂转速和时间，可以调节Si02薄膜的厚度。
上述步骤2)中用多种方法得到的Si02薄膜都必须在800°C于氧气氛下热处 理2小时，从而提高其绝缘性能。高绝缘性能的Si02薄膜对于实现电场诱导光 抽运硅基ZnO薄膜随机激光器具有非常重要的作用。
本发明的有益效果在于该电场诱导光抽运硅基ZnO薄膜随机激光器可以在低功率连续波He-Cd激光的辐照下通过电场诱导获得来自于ZnO薄膜的随机 激光，其激光产生方式新颖，光抽运强度比常规光抽运随机激光的抽运强度低 5-6个数量级。此外，器件的结构和实现方式简单，对ZnO薄膜的质量和厚度没 有苛刻的要求，不需要制备传统的激光谐振腔，不需要使用光刻等复杂的手段， 制备工艺与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。
图1是电场诱导光抽运硅基ZnO薄膜随机激光器的结构及测试示意图； 图2是电场诱导光抽运硅基ZnO薄膜随机激光器在不同的正向偏压下ZnO
薄膜在365 400nm波长范围内的光致发光谱。
具体实施例方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1,发明的电场诱导光抽运硅基ZnO薄膜随机激光器，在硅衬底1 的正面自下而上依次沉积有ZnO薄膜2、高绝缘性能的Si02薄膜3和半透明电 极4,在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极5。
实施例1
采取如下工艺步骤
1) 清洗11型<100>，电阻率为0.005欧姆*厘米、大小为15xl5mm2、厚度为 520微米的硅片，清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度 抽至lxl(T3Pa;在硅片上利用直流反应磁控溅射法沉积厚度约为300nrn的ZnO 薄膜，在溅射时，采用纯Zn靶(纯度为99.99%)、衬底温度为300°C、溅射功 率为120W、通以O2和Ar混合气体，O2和Ar的流量比为l:2，工作压强为10Pa;
2) 以正硅酸四乙酯(TEOS)为气源，利用化学气相沉积方法在硅片上沉 积厚度约为150 nm的Si02薄膜，沉积温度为500°C，工作压强为100Torr，然 后用管式退火炉将Si02薄膜在氧气氛下800°C热处理2小时；
3) 在Si02薄膜上和硅衬底背面分别溅射20nm和100nm厚的Au膜，其中 前者的面积10xl0mm2。
实施例2
采取如下工艺步骤
1)清洗11型<100>，电阻率为0.05欧姆'厘米、大小为15xl5mm2、厚度为 675微米的硅片，清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度 抽至5xl(T3Pa;在硅片上利用直流反应溅射法沉积厚度约为500nm的ZnO薄膜， 在溅射时，采用纯Zn靶(纯度为99.99%)、衬底温度为500°C、溅射功率为150W、通以02和Ar混合气体，02和Ar的流量比为1:3，工作压强为15Pa;
2) 采用摩尔比为正硅酸四乙酯(TEOS):乙醇(EtOH) :H20= 1:10:4的前 驱体溶液，并加入适量的HC1作为催化剂，然后在ZnO薄膜上旋涂沉积厚度约 为100 nm的Si02薄膜，旋涂时转速为3000转/分钟，旋涂时间为30秒，旋涂 后在80°C下烘干20分钟，然后在800°C于氧气氛下热处理2小时；
3) 在Si02薄膜上溅射沉积50nm厚的ITO薄膜，在硅衬底背面分别溅射 100nm厚的Au膜，其中前者的面积10xl0mm2。
实施例3
采取如下工艺步骤
1) 清洗11型<100>,电阻率为50欧姆'厘米、大小为15xl5mm2、厚度为670 微米的硅片；将醋酸锌(Zn(Ac)2.2H20)溶于乙二醇甲醚溶液中，并加入乙醇胺 作为稳定剂，搅拌得到Zn的摩尔浓度为1.2M的ZnO前驱体溶液，然后在转速 为3000-5000转/分钟下旋涂30-60秒，旋涂后在300。C下烘干20分钟后进行下 一次旋涂，如此重复4次，最后在800。C于氧气下热处理2小时；
2) 以石英为靶材，利用电子束蒸发方法在ZnO薄膜上沉积厚度约为200 nm 的Si02薄膜，然后在S00。C于氧气氛下热处理2小时；
3) 在Si02薄膜上和硅衬底背面分别溅射30nm和150nm厚的Au膜，其中 前者的面积10xl0mm2。
图2给出了实例1获得的电场诱导光抽运硅基ZnO薄膜随机激光器在不同 的正向偏压(负压加在硅衬底上)下ZnO薄膜在365 400nm波长范围内的PL 谱。抽运源为He-Cd激光器，抽运强度约为4W/cm2，比常规光抽运随机激光的 抽运强度低5-6个数量级。从图中可以看至U，当施加的正向偏压从0V升高到8.0V 时，ZnO薄膜的PL谱中只存在一个源于ZnO近带边自发辐射的紫外发光峰， 并且随着正向偏压的升高发光峰强度不断增大、峰位不断蓝移；当施加的正向 偏压达到9.0V时，在PL谱中已有发光峰的峰值的长波长方向出现了一些ZnO 随机激光峰，其半高宽小于2A;当正向偏压继续增大到10.0V时，随机激光峰 数目增多，与正向偏压为9.0V时的光谱相比，随机激光峰的峰位发生改变。其 他实例获得的电场诱导光抽运硅基ZnO薄膜随机激光器也可以通过正向偏压的 辅助使得ZnO薄膜在恒定的He-Cd激光辅助下获得来自于ZnO薄膜的随机激 光，只是由于制备方法的不同，获得激光所需要的电压稍有差别。
权利要求
1.电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器，其特征是在硅衬底(1)的正面自下而上依次沉积有ZnO薄膜(2)、SiO2薄膜(3)和半透明电极(4)，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极(5)。
2. 根据权利要求1所述的电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器，其 特征是半透明电极为半透明Au电极或ITO电极。
3. 根据权利要求1所述的电场诱导光抽运硅基ZnO薄膜随机激光器的制备 方法，其特征是包括以下步骤1) 利用直流反应磁控溅射或溶胶一凝胶法在清洗后的电阻率为0.005-50欧 姆-厘米的n型硅片上生长ZnO薄膜；2) 利用化学气相沉积法或蒸发法或溶胶一凝胶法在硅片上沉积Si02薄膜并 在氧气氛下于800°C热处理2小时；3) 在Si02薄膜上溅射半透明电极，在n型硅衬底背面溅射欧姆接触电极。
全文摘要
本发明公开了电场诱导光抽运硅基氧化锌薄膜随机激光器及其制备方法。该器件在n型硅衬底的正面自下而上依次沉积ZnO薄膜、SiO<sub>2</sub>薄膜和半透明电极，在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。制备步骤如下利用直流反应磁控溅射或溶胶—凝胶法在清洗的n型硅片上生长ZnO薄膜；然后用化学气相沉积法或蒸发法或溶胶—凝胶法在硅片上沉积SiO<sub>2</sub>薄膜并在氧气氛下进行热处理；再在SiO<sub>2</sub>薄膜上溅射半透明电极，在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。本发明的电场诱导光抽运硅基ZnO薄膜随机激光器的结构和实现方式简单，可以在低功率连续波He-Cd激光的辐照下通过电场诱导获得来自于ZnO薄膜的随机激光，光抽运强度比常规光抽运随机激光的抽运强度低5-6个数量级。
文档编号H01S5/00GK101299513SQ20081006242
公开日2008年11月5日 申请日期2008年6月6日 优先权日2008年6月6日
发明者李东升, 杨德仁, 陈培良, 马向阳 申请人:浙江大学