一种基于n-ZnO/PEDOT/HfO2/p-GaN的紫外激光二极管及制备方法与流程

一种基于n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管及制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其是一种基于n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管及制备方法。


背景技术：

2.纳米激光器具有模式体积小、阈值低以及尺寸小等优势，在显示、检测、生物、通讯以及光互联等领域应用前景广泛，引起了人们极大的兴趣。然而，传统的纳米激光器普遍存在光学增益差、损耗大的问题。因此，有效地限制光场，提高增益，减少损耗是一个基本和关键的思想。在光泵浦纳米激光器中，人们通过构建mis结，引入表面等离激元，以及核壳结构等方法来限制光场，提高增益，实现了很明显的光约束作用，并且成功突破衍射极限。如zno/sio2/au、zno/g、zno/al等。虽然在光泵浦纳米激光器中能够有效的限制光场，但是在电泵浦激光器中，不仅要考虑光场的局域，更要兼顾载流子传输和界面接触问题。因此即使zno纳米激光器在光泵浦领域硕果累累，但是由于得不到稳定的p-zno，基于经典量子阱结构设计和制备半导体激光二极管的道路被阻断，很难实现良好的zno电泵浦激光，特别是小尺寸的电泵浦激光器。
3.p-gan不仅具有相同的纤锌矿结构和相似的电子性质，也具有成熟的p型掺杂技术，是代替p-zno的理想材料。然而，zno与gan在370-400nm的增益谱范围内具有相似的折射率。低折射率对比度会导致很难获得高束缚因子,同时这也会造成较高的腔损耗。因此，zno/gan界面处的损耗极大的限制了zno基紫外发光器件的性能。此外，不良的电学接触和能级结构也会对载流子的传输造成严重阻碍。因此，使用一种或多种相对于zno纳米腔，折射率低得多、能与之形成完美电学接触且能级匹配的材料至关重要。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管及制备方法，能够有效降低界面处的光学损耗，增加载流子注入效率，实现电场驱动下的紫外激光行为。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管，包括：n-zno纳米棒、p-gan薄膜、pedot薄膜、hfo2薄膜、pmma保护层和金属电极；首先在p-gan薄膜上溅射一层hfo2薄膜，然后依次旋涂pedot薄膜、n-zno纳米棒和pmma薄膜，再将pmma保护层刻蚀至n-zno纳米棒露出，最后在p-gan薄膜和n-zno纳米棒上制备金属电极，最终构成完整的器件。
6.优选的，zno纳米棒，直径为400～800nm，长度为5000～15000nm。
7.优选的，hfo2薄膜厚度为5～20nm。
8.优选的，pedot薄膜厚度为20～40nm，折射率为1.4～1.6。
9.优选的，金属电极为au电极，位于zno和gan表面，厚度为20～60nm。
10.相应的，一种基于n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管的制备方法，包括如下步骤：
11.(1)将纯度均为99.97-99.99％的zno粉末和1000目的碳粉末按照质量比1:1混合研磨，放入一端开口的长度30cm、直径3cm的石英管封闭端；将硅片衬底切成1cm
×
1cm～1cm
×
2cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，作为生长基底，放置距管口5cm～8cm位置处的石英管内；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，封闭管式炉，抽真空，并通入150sccm氩气和15sccm氧气，经过反应后，关闭气阀及真空泵，通入空气，当炉内气压为大气压时，开启管式炉，取出样品；
12.(2)将生长了zno纳米棒阵列的硅片放入乙醇中，通过超声分散的方法，得到均匀分散了zno纳米棒的乙醇溶液备用；
13.(3)使用丙酮、乙醇和去离子水将p-gan衬底分别超声清洗，用氮气吹干备用；
14.(4)采用射频磁控溅射的方法，将清洁的p-gan衬底，放入磁控溅射仪中，溅射一层hfo2薄膜；
15.(5)在hfo2薄膜上依次旋涂pedot薄膜、均匀分散zno纳米棒的乙醇溶液和pmma薄膜并高温烘干；
16.(6)使用氧等离子清洗仪刻蚀pmma薄膜，使得zno纳米棒顶端被暴露出来；
17.(7)在zno和gan表面沉积au电极；
18.(8)将步骤(7)最后生成的n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管进行电学性质测量，并测量电泵浦发光光谱。
19.优选的，步骤(1)中，高温反应的温度为800～1200℃，反应时间为20-40分钟。
20.优选的，步骤(4)中，溅射靶材是hfo2靶材，规格为60
×
2mm，腔体气压为1～3pa，氩气流量为40～60sccm，氮气流量为5～10sccm，溅射功率为40～80w，溅射时间为5～20min。
21.优选的，步骤(5)中，旋涂参数为低转速500～600转每分钟，旋转5～10秒，高转速2000～4000转每分钟，旋转30～60秒，高温烘干温度为100℃～150℃。
22.优选的，步骤(6)中，刻蚀参数为50～80w，时间为80～150s。
23.优选的，步骤(7)中，镀金属的方法为磁控溅射或者电子束蒸镀方法，厚度为20～60nm。
24.本发明的有益效果为：(1)本发明在传统的n-zno/p-gan异质结中引入低折射率材料hfo2和pedot，提高与zno界面的折射率差异，降低界面处光的全反射临界角，从而减小光学损耗，降低阈值；(2)本发明利用有机分子聚合物与zno腔体形成稳定的电学接触，并且和hfo2一起与n-zno/p-gan异质结构成阶梯状能及结构，保证了载流子的有效注入；(3)本发明n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管，在注入电流为6ma时，发光光谱的半宽从约30nm缩小到1.4nm，并且强度显著增加。
附图说明
25.图1为本发明实施例1中合成的单根n型zno纳米棒的扫描电镜示意图。
26.图2为本发明的n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管的合成示意图。
27.图3为本发明实施例1中的n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管室温下在不同注入电流下的电致发光(el)谱图。
具体实施方式
28.如图1和图2所示，一种基于n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管，包括：n-zno纳米棒、p-gan薄膜、pedot薄膜、hfo2薄膜、pmma保护层和金属电极；首先在p-gan薄膜上溅射一层hfo2薄膜，然后依次旋涂pedot薄膜、zno纳米棒和pmma薄膜，再将pmma保护层刻蚀至n-zno纳米棒露出，最后在p-gan薄膜和n-zno纳米棒上制备金属电极，最终构成完整的器件。
29.zno纳米棒，直径为400～800nm，长度为5000～15000nm，hfo2博膜厚度为5～20nm，pedot薄膜厚度为20～40nm，折射率为1.4～1.6。金电极位于p-gan薄膜和n-zno纳米棒上。
30.相应的，一种基于n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
31.(1)将纯度均为99.97-99.99％的zno粉末和1000目的碳粉末按照质量比1:1混合研磨，放入一端开口的长度30cm、直径3cm的石英管封闭端；将硅片衬底切成1cm
×
1cm～1cm
×
2cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，作为生长基底，放置距管口5cm～8cm位置处的石英管内；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，封闭管式炉，抽真空，并通入150sccm氩气和15sccm氧气，经过反应后，关闭气阀及真空泵，通入空气，当炉内气压为大气压时，开启管式炉，取出样品；
32.(2)将生长了zno纳米棒阵列的硅片放入乙醇中，通过超声分散的方法，得到均匀分散了zno纳米棒的乙醇溶液备用。
33.(3)使用丙酮、乙醇和去离子水将p-gan衬底分别超声清洗，氮气吹干备用。
34.(4)采用射频磁控溅射的方法，将清洁的p-gan衬底，放入磁控溅射仪中，溅射一层hfo2薄膜。
35.(5)在hfo2薄膜上依次旋涂pedot薄膜、均匀分散zno纳米棒的乙醇溶液和pmma薄膜并高温烘干。
36.(6)使用氧等离子清洗仪刻蚀pmma薄膜，使得zno纳米棒顶端被暴露出来。
37.(7)在zno和gan表面沉积au电极
38.(8)将步骤(7)最后生成的n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管进行电学性质测量，并测量电泵浦发光光谱。
39.步骤(1)所述高温反应的温度为800～1200℃，反应时间为20-40分钟。步骤(4)中，所述的溅射靶材是hfo2靶材，规格为60
×
2mm，腔体气压为1～3pa，氩气流量为40～60sccm，氮气流量为5～10sccm，溅射功率为40～80w，溅射时间为5～20min。步骤(5)中，旋涂参数为低转速500～600转每分钟，旋转5～10秒，高转速2000～4000转每分钟，旋转30～60秒，高温烘干温度为100℃～150℃。步骤(6)中，刻蚀参数为50～80w，时间为80～150s。步骤(7)中所述的镀金属的方法为磁控溅射或者电子束蒸镀方法，厚度为20～60nm。
40.实施例1：
41.第一步：将纯度均为99.97-99.99％的zno粉末和1000目的碳粉末按照质量比1:1混合研磨，放入一端开口的长度30cm、直径3cm的石英管封闭端；将硅片衬底切成1cm
×
1cm～1cm
×
2cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，作为生长基底，放置距管口5cm～8cm位置处的石英管内；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，封闭管式炉，抽真空，并通入150sccm氩气和15sccm氧气，经过反应后，关闭气阀及真空泵，通入空气，
当炉内气压为大气压时，开启管式炉，取出样品；
42.第二步：将生长了zno纳米棒阵列的硅片放入乙醇中，通过超声分散的方法，得到均匀分散了zno纳米棒的乙醇溶液备用。
43.第三步：采用射频磁控溅射的方法，将清洁的p-gan衬底，放入磁控溅射仪中，溅射一层厚度为12nm的hfo2薄膜。
44.第四步：在hfo2薄膜上依次旋涂厚度为30nm的pedot薄膜、直径约为600nm的zno纳米棒和pmma薄膜并高温烘干。
45.第五步：使用氧等离子体刻蚀pmma薄膜，使得zno纳米棒顶端被暴露出来。
46.第六步：在zno和gan表面沉积au电极
47.第七步：将步骤(7)最后生成的n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管进行电学性质测量，并测量电泵浦发光光谱。如图3所示，当注入电流达到6ma时，el光谱的半高宽从约30nm缩小到1.4nm，强度显著增加，并获得了379nm的紫外激光。
48.实施例2：
49.第一步：将纯度均为99.97-99.99％的zno粉末和1000目的碳粉末按照质量比1:1混合研磨，放入一端开口的长度30cm、直径3cm的石英管封闭端；将硅片衬底切成1cm
×
1cm～1cm
×
2cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，作为生长基底，放置距管口5cm～8cm位置处的石英管内；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，封闭管式炉，抽真空，并通入150sccm氩气和15sccm氧气，经过反应后，关闭气阀及真空泵，通入空气，当炉内气压为大气压时，开启管式炉，取出样品；
50.第二步：将生长了zno纳米棒阵列的硅片放入乙醇中，通过超声分散的方法，得到均匀分散了zno纳米棒的乙醇溶液备用。
51.第三步：采用射频磁控溅射的方法，将清洁的p-gan衬底，放入磁控溅射仪中，溅射一层厚度为8nm的hfo2薄膜。
52.第四步：在hfo2薄膜上依次旋涂厚度为20nm的pedot薄膜、直径约为400nm的zno纳米棒和pmma薄膜并高温烘干。
53.第五步：使用氧等离子体刻蚀pmma薄膜，使得zno纳米棒顶端被暴露出来。
54.第六步：在zno和gan表面沉积au电极
55.第七步：将步骤(7)最后生成的n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管进行电学性质测量，并测量电泵浦发光光谱。
56.实施例3：
57.第一步：将纯度均为99.97-99.99％的zno粉末和1000目的碳粉末按照质量比1:1混合研磨，放入一端开口的长度30cm、直径3cm的石英管封闭端；将硅片衬底切成1cm
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1cm～1cm
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2cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干，作为生长基底，放置距管口5cm～8cm位置处的石英管内；将石英管整体水平推入管式炉中高温反应，封闭管式炉，抽真空，并通入150sccm氩气和15sccm氧气，经过反应后，关闭气阀及真空泵，通入空气，当炉内气压为大气压时，开启管式炉，取出样品；
58.第二步：将生长了zno纳米棒阵列的硅片放入乙醇中，通过超声分散的方法，得到均匀分散了zno纳米棒的乙醇溶液备用。
59.第三步：采用射频磁控溅射的方法，将清洁的p-gan衬底，放入磁控溅射仪中，溅射
一层厚度为15nm的hfo2薄膜。
60.第四步：在hfo2薄膜上依次旋涂厚度为30nm的pedot薄膜、直径约为600nm的zno纳米棒和pmma薄膜并高温烘干。
61.第五步：使用氧等离子体刻蚀pmma薄膜，使得zno纳米棒顶端被暴露出来。
62.第六步：在zno和gan表面沉积au电极
63.第七步：将步骤(7)最后生成的n-zno/pedot/hfo2/p-gan的紫外激光二极管进行电学性质测量，并测量电泵浦发光光谱。