Ⅱ - Ⅵ族半导体激光器的新材料——ZnO 量子点

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学苑论衡
蓝绿激光器是近年来成为半导体激光器研究的一个重点，在1991年美国的3M 公司率先完成了Ⅱ-Ⅵ族ZnSe 基量子阱激光器77K 脉冲的相关工作，并且在当时引起了世界的瞩目，随后美国的Brown-Purdue 大学联合研究组以及荷兰的Philips 公司通过研究相继完成了激光器的室温连续工作，而Sony 公司在1996年将量子阱设为ZnSe/ZnCdSe，限制层为ZnMgSSe 的Ⅱ-Ⅵ族蓝绿激光器室温连续工作，经过研究结果显示，其寿命高达100h，但是在这一段时间内，其发展与进步并不像预期的那样，发展迅猛，其工作寿命从最初的1h 到最后的100h 花费很长的时间，将近5年，而要想进一步将其寿命提升，具有很大的困难与挑战，究其原因，ZnSe 是一类离子性强共价性弱的晶体，也就是我们俗称的质地较软，很容易出现损害，在运行受激发射时，如果温度提升，则ZnSe 的缺陷会出现大量增殖等情况[1]。

ZnSe 作为蓝绿激光器的前景受到这类材料的固有缺点的限制。

本文对Ⅱ-Ⅵ族半导体激光器方面的一个新的途径——ZnO 量子点进行研究与分析，现报道如下：
1.ZnO 材料的基本特性
根据研究结果显示，宽禁带ZnO 半导体为直接带隙，其束缚激子能达到60mV，其是紫外半导体光电器件，具有较大的潜在价值。

在多年以前，ZnO 体材料在低温条件下已经可以观察到由电子束激发的受激发射，但是随着温度的升高，受激发射的强度便会很快淬灭，而长期以来ZnO 作为光电子材料一直没有被人们所重视，而随着GaN 体系近些年来不断火热，作为GaN 外延层与SiC 衬底间的缓冲层的ZnO 材料，具有以下几种特性：①GaN 和ZnO 具有一致的纤锌矿型晶格结构，其与GaN 的晶格失配未超过2%，其a 轴晶格常数为0.325mm，其c 轴晶格常数为0.527mm。

②ZnO 的迁移率为260cm 2/V ·s，n 型掺杂浓度可以达到1019/cm3，其电学特征良好。

③ZnO 的导带底根据电子亲和势和能带偏移的共同阴离子规则，与GaN 和SiC 的导带底相比，分别低0.7eV 和0.4eV，因此可以作为GaN 和SiC 的缓冲层，不会对电子运动的势垒进行阻挡[2]。

2.ZnO 的外延生长
根据大量研究结果显示，ZnO 体材料具有很多的缺陷，对于温度的要求十分苛刻，一般只能在低温下才会受激发射，因此在器件上使用此类材料十分不合适，而为了将晶体质量和束缚激子能进行提高，就需要对外延薄膜和低维量子结构加以应用，到现在为止，基本上均采用MBE 技术来成功地生长出高质量的ZnO，生长的ZnO 的衬底都是（0001）的Al 2O 3。

虽然说Al 2O 3与ZnO 的晶格失配度较低，但是应变释放可导致三维生长出ZnO 量子点[3]。

O 2进入生长室是MBE 生长ZnO 过程中的一个最大难题。

以下本人简单介绍一下MBE 技术：
摘要：本文对Ⅱ-Ⅵ族半导体激光器方面的一个新的途径——ZnO 量子点，ZnO 可以在室温下光泵激发的受激发射得以实现，其作为一个新的半导体激光器材料，成为继Ⅱ-Ⅵ族晒化物以及III-V 簇氮化物的新发现。

关键词：Ⅱ-Ⅵ族；半导体激光器；新材料；ZnO 量子点
Ⅱ-Ⅵ族半导体激光器的新材料——ZnO 量子点
孙锐娟（西安石油大学）
2.1加微波的MBE 技术
根据研究显示，氧气分子的结合能高达5.16eV，氧气分子分解为氧原子很难通过传统的MBE 和CVD 等生长材料的方法加以实现，除此之外，其还容易受到系统条件的限制，很难将O 2的流量加以提升，因此制备出的ZnO 体材料的质量并不是很高，在氧气与Zn 反应之前使氧分子分解为氧原子是一类最为简单的方法，同时此类方法还可以将O 2的流量加以降低[4]。

2.2L-MBE 生长技术
采用大功率的激光烧蚀纯度为99.999%的ZnO 靶，使得ZnO 溅射在（0001）蓝宝石衬底上，温度条件为500℃是另外一种生长技术，由于激光的功率很大，在生长过程中，靶的局部温度很高，难免出现ZnO 的分解。

一般可以采取通入束压1.33·10-4Pa 氧气的方法来保证晶体的质量[5]。

3.ZnO 量子点的光学特征
在低温下，ZnO 的带隙为3.37eV，可以实现受激发射，在室温的条件下，没有将受激发射观察到，因此往往被人们所忽视。

人们观察到在室温下激子束缚能为60meV 的光泵受激发射成功地生长出ZnO 量子点。

结语
本文对Ⅱ-Ⅵ族半导体激光器方面的一个新的途径——ZnO 量子点进行研究与分析，从ZnO 材料的基本特性、ZnO 的外延生长以及ZnO 量子点的光学特征等方面进行叙述，但是本人的看法受水平的限制，还望相关学者批评与指正。

参考文献：
[1]沈婷.Ⅱ-Ⅵ族镉系量子点光伏器件的界面优化与性能调控[D].2019.
[2]李博文，陈仕艳，姚晶晶，等.多巴胺的纸基检测——负载ZnO 量子点的细菌纤维素复合膜[J].合成纤维，2018，047（002）：26-30.
[3]刘俊莉，邵建真，刘辉，等.改性MMT/ZnO/GQDs 纳米复合材料的制备及其抗菌性能[J].陕西科技大学学报，2019，037（001）：P.113-117.
[4]郑妮.表面电荷转移掺杂对一维Ⅱ-Ⅵ半导体的电学性质及拉曼散射的影响[D].2019.
[5]魏英英，吴兴军，何文涛，等.肿瘤靶向pH 响应载药ZnO 量子点的制备、表征及对阿霉素的控制释放研究[J].高分子通报，2018，227（03）：56-61.
作者简介：
孙锐娟（1992年—），女，汉族，陕西咸阳人，硕士，助理工程师，西安石油大学，研究方向：半导体激光器。