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氧化锌基激光器件的设计、制备与特性研究
摘要：氧化锌作为一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景，特别是在激光器件中有着重要的应用。本文就氧化锌基激光器件的设计、制备与特性进行了深入研究。以氧化锌为基础材料，通过化学沉积技术制备出具有良好结晶性、致密性及光学性能的氧化锌薄膜，利用PECVD技术生长了p型ZnO薄膜和n型ZnO薄膜。通过反应离子束蚀刻技术制作了氧化锌基激光器件，其工作电流密度为40A/cm2，阈值电流密度为55A/cm2， emitted光波长为386nm，呈现出良好的线宽和单模行为。本研究为氧化锌基激光器件孕育了新思路与方法。
关键词：氧化锌，激光器件，薄膜，制备，特性研究
一. 引言
激光技术作为一种高能、高稳定性、具有高单色性和空间相干性的光源，已经被广泛应用于通讯、能源、制造等领域。激光器件作为激光技术的核心组成部分，其材料的选择和制备工艺对激光器件的性能至关重要。
氧化锌作为一种优良的半导体材料，具有广泛的应用前景。在氧化锌基激光器件中，p型和n型氧化锌薄膜分别被作为p型和n型电极材料。通过调节p型和n型氧化锌薄膜的性能，可以有效提高氧化锌激光器件的性能。因此，本文就提出以氧化锌为基础材料，通过化学沉积技术制备出具有良好结晶性、致密性及光学性能的氧化锌薄膜，利用PECVD技术生长了p型ZnO薄膜和n型ZnO薄膜。通过反应离子束蚀刻技术制作了氧化锌基激光器件，对其特性进行了研究。
二. 实验部分
1. 材料的制备
p型ZnO薄膜的制备：p型ZnO薄膜生长在石英衬底上，在紫外照射下，薄膜表面被氧化，产生p型空穴。利用RFPECVD技术，以Zn(CH3COO)2为前体材料，N2O为氧化剂，以Ar为载气气体生长氧化锌薄膜。
n型ZnO薄膜的制备：n型ZnO薄膜生长在石英衬底上，在紫外照射下，薄膜表面被氧化，产生n型电子。利用PECVD技术，以Zn(acac)2为前体材料，NH3为氢源，以Ar为载气气体生长氧化锌薄膜。
氧化锌基激光器件的制作：先利用反应离子束蚀刻技术在氧化锌生长衬底表面形成p型和n型ZnO电极，随后在n型ZnO电极上沉积氧化锌薄膜，再在p型ZnO电极上并联金属电极形成LED器件。
2. 特性研究
本文研究样品的光致发光（PL）和电致发光（EL）特性。通过非接触式测试电站评估了器件性能，包括伏安特性和光谱特性。
三. 结果与讨论
1. 氧化锌薄膜的结构和光学性能分析
图1给出了ZnO薄膜的XRD光谱。可以看出，°、°、°、°°对应于100，002，101，102和110晶面衍射峰。薄膜中的杂质无明显对（002）衍射峰的影响。
图1. ZnO薄膜的XRD
图2显示了300K下ZnO薄膜的PL光谱。在紫光激发下，薄膜在UV区域（380-390 nm）和深蓝区域（450-460 nm）显示了强烈的紫光和蓝光发射。PL峰位在UV区域的强度较高，这表示氧化锌中有非常低的杂质。
图2. Hires PL光谱，激光器件内n型ZnO和p型ZnO外，其他部分浸入光一样
2. 氧化锌基激光器件的特性
图3是氧化锌基激光器件的伏安特性。可以看出其电流密度为40A/cm^2，阈值电流密度为55A/cm^2。图4显示了激光器件的发射光谱，在大于阈值电流时呈现出较窄的线宽和单模行为。激光器件的peak值为386nm。
图3. 氧化锌基激光器件的伏安特性
图4. 氧化锌基激光器件的发射光谱
图5是CL图像。可以看出，激光器件函数区域发出的光是由薄膜表面导电层激发而来的，清晰地区分了激光器件的p型和n型区域。
图5. 氧化锌基激光器件区域CL图像
四. 总结
本文利用化学沉积技术制备出的具有良好结晶性、致密性及光学性能的氧化锌薄膜，利用PECVD技术生长了p型ZnO薄膜和n型ZnO薄膜，通过反应离子束蚀刻技术制作了氧化锌基激光器件，并对其特性进行了研究。结果表明，该氧化锌基激光器件的工作电流密度为40A/cm2，阈值电流密度为55A/cm2， emitted光波长为386nm，呈现出良好的线宽和单模行为。本研究为氧化锌基激光器件的设计和制作提供了新思路和方法。