GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件及其制备方法技术

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，属于半导体发光器件及其制备方法技术领域。由下电极、衬底、ZnO微米棒、空穴注入层和上电极构成，ZnO微米棒沿着衬底的<011>方向放置，并和衬底之间用焊料烧结在一起，ZnO微米棒周围用有机填充物填平，空穴注入层采用Li掺杂的p-NiO薄膜材料，沿垂直于衬底的<011>方向解理衬底和ZnO微米棒，解理形成的前、后端面构成激光器的前反射镜和后反射镜。本发明专利技术制备了GaAs或InP衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件的增益区较长，可以提高器件的输出功率，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体发光器件及其制备方法
，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。
技术介绍
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(60meV)、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。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 LUMINESCENCE 149(2014)313–316”中报道了一种ZnO微米棒和p-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 MATERIALS 23(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。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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是：本专利技术所设计的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n型导电(电子浓度为5.0×1017～1.0×1019cm-3)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，聚甲基丙烯酸甲酯)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-NiO薄膜材料；沿垂直于衬底2的<011>方向，即沿衬底2的(1，1，0)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)。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n型(其电子浓度为3.0×1015～1.5×1016cm-3)ZnO，直径0.5～10微米，长度200～5000微米。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。因为n型InP晶体片的导电和解理性能和n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n型(电子浓度为5.0×1017～1.0×1019cm-3)InP晶体片为衬底2(GaAs晶体片和InP晶体片均可购买得到)。本专利技术所述的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。具体方法是：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℃；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℃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；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-NiO材料薄膜作为空穴注入层6，p-NiO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、Ni-Au、Ti-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；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℃；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～1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；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。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：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...

【技术保护点】
一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件，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n型导电的GaAs或InP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In焊料(3)烧结在一起，ZnO微米棒(4)周围用聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺有机填充物(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)为Li掺杂的p‑NiO薄膜材料；沿垂直于衬底(2)的<011>方向，衬底(2)和ZnO微米棒(4)被解理成巴条，巴条再被锯切成含有一个ZnO微米棒(4)的管芯，从而形成一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件。

【技术特征摘要】
1.一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件，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n型导电的GaAs或InP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In焊料
(3)烧结在一起，ZnO微米棒(4)周围用聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚
胺有机填充物(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)为Li掺杂的p-NiO薄膜材料；沿垂直于衬
底(2)的<011>方向，衬底(2)和ZnO微米棒(4)被解理成巴条，巴
条再被锯切成含有一个ZnO微米棒(4)的管芯，从而形成一种GaAs
衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件。
2.一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件，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n型导电的GaAs或InP晶体片，衬底(2)
的<011>方向上具有平底的V型沟槽，ZnO微米棒(4)放置在V型沟槽
内，并和衬底(2)之间用In焊料(3)烧结在一起，ZnO微米棒(4)
周围用聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺有机填充物(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)为Li掺
杂的p-NiO薄膜材料；沿垂直于衬底(2)的<011>方向，衬底(2)和
ZnO微米棒(4)被解理成巴条，巴条再被锯切成含有一个ZnO微米棒
(4)的管芯，从而形成一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件。
3.如权利要求2所述的一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件，
其特征在于：V型沟槽的深度小于ZnO微米棒(4)的直径，V型沟槽的
底部宽度大于ZnO微米棒(4)的直径。
4.如权利要求1或2所述的一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器
件，其特征在于：n型导电的GaAs或InP晶体片的电子浓度为
5.0×1017～1.0×1019cm-3；Li的原子浓度为5％～8％。
5.如权利要求1或2所述的一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器
件，其特征在于：In焊料(3)的厚度为10纳米～2微米，p-NiO薄膜的
厚度为50～500纳米，上、下电极的厚度为100～600纳米，衬底(2)的

\t厚度为60～150微米，巴条的长度为100微米～2毫米，巴条的宽度为100
微米～1毫米。
6.如权利要求1或2所述的一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器
件，其特征在于：ZnO微米棒(4)为非故意掺杂的n型ZnO，其电子浓
度为3.0×1015～1.5×1016cm-3，直径为0.5～10微米，长度为200～5000
微米。
7.如权利要求6所述的一种GaAs衬底ZnO微米棒端面出光的发光器件，
其特征在于：V型沟槽的深度为ZnO微米棒(4)直径的1/3～2/3，V型
沟...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜国同，史志锋，董鑫，张源涛，张宝林，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22