GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光管或激光器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN系材料在固態(tài)照明領(lǐng)域和信息領(lǐng)域已經(jīng)在廣泛的應(yīng)用。ZnO和GaN的能帶寬度和晶格常數(shù)十分接近，并且具有相近的光電特性。但是，相比于GaN材料，ZnO具有更高的熔點(diǎn)和激子束縛能^OmeV)、外延生長(zhǎng)溫度低、成本低、容易刻蝕而使加工更容易，使器件的制備更方便等等。因此，ZnO基發(fā)光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代GaN基光電器件，會(huì)有更大的應(yīng)用前景，受到人們的重視。
[0003]由于ZnO單晶薄膜的外延制備目前還不成熟，致密、均勻一致的ZnO單晶薄膜很難獲得，同時(shí)P型ZnO材料制備技術(shù)也還不成熟，于是人們嘗試采用ZnO微米棒和p_Si或P-GaN材料結(jié)合制備發(fā)光器件。Yingtian Xu等人在文獻(xiàn)“JOURNAL OF LUMINESCENCE149(2014)313 - 316”中報(bào)道了一種ZnO微米棒和ρ-Si結(jié)合的發(fā)光管，這樣的發(fā)光管輸出功率非常低，且光出射的方向性較差。Jun Dai等人在文獻(xiàn)“ADVANCED MATERIALS23(2011)4115-4119”中報(bào)道了一種ZnO微米棒和p_GaN結(jié)合的激光器件，該激光器件是基于回音壁諧振模式，這種激射模式的激光是在ZnO微米棒側(cè)面的幾個(gè)拐角處分散出射的，方向性也不好，不利于光纖耦合等定向應(yīng)用，且增益區(qū)很短，因而輸出功率也非常低。
[0004]總之，上述報(bào)道的ZnO微米棒發(fā)光管和激光器輸出功率非常低，光出射的方向性不好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述ZnO基發(fā)光器件的這一困難，提供一種GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件(發(fā)光管或激光器)及其制備方法，以提高器件輸出功率，改善激光的方向性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件(見(jiàn)附圖1和【附圖說(shuō)明】)，其特征在于:依次由下電極1、襯底2、ZnO微米棒4、空穴注入層6和上電極7構(gòu)成，襯底2是η型導(dǎo)電(電子濃度為5.0XlO17- 1.0X10 1W)的GaAs晶體片，ZnO微米棒4沿著襯底2的〈011〉方向放置，并和襯底2之間用焊料3燒結(jié)在一起，ZnO微米棒4周?chē)肞MMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙稀酸甲醋)或聚酰亞胺等有機(jī)填充物5填平，有機(jī)填充物5的高度與ZnO微米棒4的直徑相同；空穴注入層6采用Li摻雜(Li的原子濃度為5%?8% )的p-N1薄膜材料；沿垂直于襯底2的〈011〉方向，即沿襯底2的(1，1，O)面將襯底2和ZnO微米棒4解理成巴條，再將巴條鋸切成含有一個(gè)ZnO微米棒4的管芯；ZnO微米棒4解理后形成的前、后端面構(gòu)成發(fā)光管的出光面或激光器的前反射鏡和后反射鏡(形成法布里-珀羅諧振腔)。
[0008]ZnO微米棒4的制備方法很多，如化學(xué)氣相沉積法、水熱合成法、熱蒸發(fā)法、化學(xué)溶液法等等或市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)，無(wú)論哪種方法制備的ZnO微米棒均可用于本專(zhuān)利，其結(jié)構(gòu)參數(shù)要求是非故意摻雜的η型(其電子濃度為3.0X 115?1.5X 10 16CnT3) ΖηΟ，直徑0.5?10微米，長(zhǎng)度200?5000微米。
[0009]進(jìn)一步為了更好把握Z(yǔ)nO微米棒4沿襯底2放置的方向，可以沿著襯底2的〈011〉方向預(yù)先在襯底2上用光刻和化學(xué)腐蝕的方法刻蝕出平底的V型溝槽，ZnO微米棒4放置在V型溝槽內(nèi)，溝槽的深度視所采用ZnO微米棒4的直徑而定，要小于ZnO微米棒4的直徑，一般為ZnO微米棒4直徑的1/3?2/3，溝槽的底部寬度要大于ZnO微米棒4的直徑(0.5?10微米)，以3?20微米為宜；然后蒸鍍焊料3，把ZnO微米棒4放置在平底的V型溝槽內(nèi)，再燒結(jié)，制備V型溝槽GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件，如附圖2所示。
[0010]因?yàn)棣切虸nP晶體片的導(dǎo)電和解理性能和η型GaAs晶體片大體相同，所以這種ZnO微米棒端面出光發(fā)光器件還可以采用η型(電子濃度為5.0X 117?1.0X10 19cm_3) InP晶體片為襯底2 (GaAs晶體片和InP晶體片均可購(gòu)買(mǎi)得到)。
[0011]本發(fā)明所述的GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件(發(fā)光管或激光器)的制備方法，其特征在于:焊料3采用熱蒸發(fā)的方法蒸鍍?cè)贕aAs襯底2上，空穴注入層6采用磁控濺射或MOCVD (金屬有機(jī)氣相沉積)方法進(jìn)行制備。
[0012]具體方法是:
[0013]A.在襯底2上采用熱蒸發(fā)的方式蒸鍍10納米?2微米厚的In焊料3，將直徑0.5?10微米的ZnO微米棒4沿著襯底2的〈011〉方向放置，然后在真空或氣體(H2、N2、Ar均可)保護(hù)下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為160?250°C ;
[0014]B.ZnO微米棒4和襯底2用焊料3燒結(jié)在一起后，在焊料3及ZnO微米棒4上涂覆PMMA等有機(jī)填充物5，在200?400°C下烘干有機(jī)填充物5，再用等離子刻蝕機(jī)將ZnO微米棒4上面多余的有機(jī)填充物5刻蝕去掉，使焊料3上涂覆的有機(jī)填充物5的高度與ZnO微米棒4的直徑相等；
[0015]C.再在ZnO微米棒4和有機(jī)填充物5上面濺射Li摻雜(Li的原子濃度為5%?8% )的p-N1材料薄膜作為空穴注入層6，p-N1薄膜厚度為50?500納米；然后在空穴注入層6上面蒸鍍上電極7 ;上、下電極材料可用Au、N1-Au、T1-Au> Zn-Au或Pt-Au等合金材料中的一種或兩種，其厚度為100?600納米，蒸鍍上、下電極的方法是熱蒸鍍、電子束蒸鍍或磁控激射等方法；
[0016]D.將襯底2減薄至60?150微米，再在襯底的下表面蒸鍍金屬下電極1，然后在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行退火，退火溫度為300?450°C ;
[0017]E.沿垂直于襯底2〈011>方向的(1，1，0)面將蒸鍍好上、下電極的襯底2解理成長(zhǎng)度為100微米?2毫米的巴條，再將巴條鋸切成含有一個(gè)ZnO微米棒4的管芯(寬度為100微米?I毫米)，這樣就制備成了如圖1所示的長(zhǎng)方型(矩形)發(fā)光管或激光器管芯，ZnO微米棒4解理后形成的前、后端面構(gòu)成發(fā)光管的出光面或激光器的前反射鏡和后反射鏡，形成諧振腔，巴條長(zhǎng)度就是激光器諧振腔的腔長(zhǎng)；
[0018]F.最后，將含有一個(gè)ZnO微米棒4的管芯焊接在熱沉或支架上，便制備得到端面出光的發(fā)光器件。
[0019]V型溝槽GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件(發(fā)光管或激光器)制備步驟如下:
[0020]A.在GaAs晶體片襯底2上面沿著〈011〉方向預(yù)先光刻腐蝕出平底的V型溝槽，溝槽的深度視所采用ZnO微米棒4的直徑而定，要小于ZnO微米棒4的直徑，一般為ZnO微米棒4直徑的1/3?2/3，V型溝槽的底部寬度要大于ZnO微米棒4的直徑(0.5?10微米)，以3?20微米為宜；襯底2上面的平底V型溝槽刻蝕好后蒸鍍In焊料3，再將ZnO微米棒4放置在平底的V型溝槽內(nèi)；然后在真空或氣體(H2、N2、Ar均可)保護(hù)下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為160 ?250。。；
[0021]B.ZnO微米棒4和襯底2用焊料3燒結(jié)在一起后，在襯底2及ZnO微米棒4上涂覆PMMA等有機(jī)填充物5，在200?400°C下烘干有機(jī)填充物5，再用等離子刻蝕機(jī)將ZnO微米棒4上面多余的有機(jī)填充物5刻蝕去掉，使襯底2上涂覆的有機(jī)填充物5與ZnO微米棒4的高度相等；
[0022]C.再在ZnO微米棒4和有機(jī)填充物5上面濺射Li摻雜(Li的原子濃度為5 %?8% )的p-N1材料薄膜作為空穴注入層6，p-N1薄膜厚度50?500納米即可，在空穴注入層6上面蒸鍍上電極7 ;上、下電極材料可用Au、N1-Au、T1-Au、Zn-Au或Pt-Au等合金材料中的一種或兩種，其厚度為100?600納米，蒸鍍上、下電極的方法是熱蒸鍍、電子束蒸鍍或磁控激射等方法；
[0023]D.將襯底減薄至60?150微米，再在襯底2的下表面蒸鍍金屬下電極1，然后在惰性氣體保護(hù)下退火，退火溫度為300?450°C ;
[0024]E.沿垂直于襯底2〈011>方向的(1，1，0)面將蒸鍍好上、下電極的襯底2解理成長(zhǎng)度為100微米?2毫米的巴條，再將巴條鋸切成含有一個(gè)ZnO微米棒4的管芯，這樣就制備成了如圖2所示的長(zhǎng)方型(矩形)發(fā)光器件(發(fā)光管或激光器)管芯(寬度為100微米?I毫米)，襯底2解理時(shí)ZnO微米棒4也隨之解理，ZnO微米棒4解理后形成的前、后端面構(gòu)成發(fā)光管的出光面或激光器的前反射鏡和后反射鏡，前反射鏡和后反射鏡形成諧振腔，巴條長(zhǎng)度就是激光器諧振腔的腔長(zhǎng)；
[0025]F.最后，將含有一個(gè)ZnO微米棒4的發(fā)光器件管芯焊接在熱沉或支架上，便制備得到發(fā)光管或激光器。
[0026]本發(fā)明的效果和益處是:
[0027]本發(fā)明制備了 GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件的增益區(qū)較長(zhǎng)，可以提高器件輸出功率，其激光器件的諧振腔是法布里-珀羅諧振腔，激光的方向性變好，進(jìn)一步拓展了器件的應(yīng)用范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1:GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2:V型溝槽GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖中各部分的名稱(chēng)為:下電極1、襯底2、焊料3、ZnO微米棒4、有機(jī)填充物5、空穴注入層6、上電極7 ;
[0031]圖3:光刻腐蝕出平底V型溝槽的GaAs襯底斷面掃描電鏡照片；
[0032]圖4:GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光管電注入發(fā)光光譜；
[0033]圖5:計(jì)算的GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的激光器光出射的發(fā)散角和ZnO微米棒4直徑的關(guān)系曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例和實(shí)施工藝。
[0035]實(shí)施例1:
[0036]GaAs襯底ZnO微米棒端面出光的發(fā)光器件。這種端面出光的發(fā)光器件見(jiàn)附圖1，其制備過(guò)程為，采用η型GaAs晶體片(電子濃度為5.0 X 1018cm_3)為襯底2，在GaAs晶體片襯底2上用熱蒸發(fā)臺(tái)蒸鍍100納米的In焊料3，將直徑2微米左右的ZnO微米棒4沿著襯底2的〈011〉方向放置，放入合金爐中真空加熱燒結(jié)，溫度加至200°C;Zn0微米棒4和襯底2用焊料3燒結(jié)在一起后，涂覆PMMA有機(jī)填充物5，用350°C烘干PMMA有機(jī)填