ZnO基垂直腔面发射激光器制备及其关键科学问题研究

紫外、近紫外激光器在高密度信息存储、光谱分析、医学诊断、大气及海底探测、微电子学、空间光通讯、光化学等领域有广泛的应用前景。目前热点研究的ZnO材料，正是这样一种新型的直接帯隙紫外光电材料，其禁带宽度~3.3eV，带边跃迁光子波长为~380nm，特别是其激子束缚能高，为60meV，激子增益高，非常适合制备激光器件。经过人们十几年的努力，ZnO基紫外发光二极管的电注入发光已初步实现，也有电注入激子受激发射实现的报道，但是，器件发光效率都非常低，功率很小，大多数是随机散射谐振腔激光，激光的方向性很差，都只是观察到一些激射的现象，离实现良好的电注入发光与激射还有很大距离，还都算不上真正的半导体激光器件。由此，我们创新地提出研制有谐振腔的、有一定输出功率、进一步可实用化的垂直腔面发射ZnO基激光器。如能研制成功，将是ZnO光电材料与光电器件领域的重大突破，有重要的科学意义和巨大的实用价值。

紫外、近紫外激光器在高密度信息存储、光谱分析、医学诊断、空间光通讯等领域有广泛的应用前景。目前热点研究的ZnO材料，正是这样一种新型的直接帯隙紫外光电材料，非常适合制备激光器件。经过人们十几年的努力，ZnO基紫外发光二极管的电注入发光已初步实现，也有电注入激子受激发射实验的报道，但是，器件发光效率都非常低，功率很小，大多数是随机散射谐振腔激光，都只是观察到一些激射的现象。由此，本项目提出研制有谐振腔的的垂直腔面发射ZnO基激光器。.在本项目执行期间，我们做了以下4方面的研究工作：.1、改造了自行设计加工的MOCVD设备，在反应室中增加了光照系统，采用光辅助和增加反应室压强等改进工艺，提高了生长的ZnO薄膜质量；在蓝宝石衬底生长的ZnO薄膜XRD ω扫描半高宽由500弧秒左右降至270弧秒左右，载流子迁移率>70 cm2/V∙s。.2、进行了ZnO外延薄膜的p型掺杂试验研究，主要进行了磷掺杂试验研究和铜掺杂试验研究。均获得了p型ZnO外延薄膜，载流子浓度在1017量级。.3、为了考察AlGaN外延层对载流子限制作用和其界面氧化对器件特性的影响情况，我们制备了三种器件结构。一种是Al含量固定为0.4的n-ZnO /p-Al0.4Ga0.6N/ p-GaN LED结构，另一种是Al含量渐变的n-ZnO/p-graded-AlxGa1-xN/p-GaN 的LED结构，还有n-ZnO/p-GaN结构LED。通过对这三种器件电致发光的比较，说明p-graded-AlxGa1-xN结构有利于载流子注入并限制在ZnO层复合发光；没有明显看出AlGaN限制层中的Al氧化引起的I-V特性变化。. 4、制备了几种ZnO基激光器件.（1）制备了p-ZnO:P/n-GaN组合激光器，器件实现了随机电注入受激发射，典型的激射阈值为9mA。.（2）在Si衬底上制备了带有SiO2电流限制层的ZnO基激光器，该器件在较低的阈值电流（3.9 mA）下实现了ZnO的随机激光。.（3）制备了p-ZnO:As/Ga2O3/n-GaN组合垂直腔面发射激光器，该器件表现出二极管I-V特性，正向导通电压3.2V左右。器件实现了电注入受激发射，测得的器件最低激射阈值为4mA。. 项目执行期间出站博士后1名，培养博士研究生3名，进行了国际合作和交流，较好地全面完成了项目任务。