摘要
氧化锌（ZnO）作为第三代宽禁带半导体，具有高达3.37eV和60meV的禁带宽度和激子束缚能，这一重要特性使其在紫外激光器、生物传感器、日盲探测器、光电集成等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。尤其是在低阈值和高品质因子（Q）的紫外微腔激光器研究领域有着显著的优势。ZnO微腔激光器按照谐振腔结构的不同可分为三类：随机激光器、法布里-珀罗（F-P）激光器和回音壁（WGM）激光器。ZnO微盘较高的折射率和光学品质使其成为良好的光学微腔，能够在内壁全反射形成光学增益回路，实现低阈值高Q值的WGM激光。目前，基于ZnO的WGM微腔激光器的报道有很多，但是大部分都是基于气相法或者水热法制备的微米棒和微米碟的天然单晶微腔。此种微腔虽然光学质量很高，但是其尺寸难以实现精确控制，另外微腔的横截面为正六边形，激光的辐射方向为六个，限制了片上光源的可控集成。基于此本文采用了两步法来制备ZnO微腔激光器，能够按照理论设计精确控制ZnO微腔的尺寸和结构，进而调控激光模式和辐射方向。 本文主要包含三个方面的研究，第一部分是ZnO悬浮微腔的制备。利用SOI衬底，通过光刻，干法各向异性刻蚀Si和湿法各向同性刻蚀SiO2的方法制备不同结构和尺寸的悬浮Si盘。然后利用分子束外延生长200nm厚的ZnO薄膜，最终获得ZnO悬浮微腔激光器。 第二部分研究ZnO微盘的发光特性随尺寸大小和结构的变化。分析了器件的性能，包括扫描电镜图、光致发光光谱、激光的半高全宽、品质因子、激光阈值、激光模式数、光场分布。研究表明，激光性能随着圆盘半径的增大而提高，但是增大到一定程度时，随着光学损耗的增加，圆盘的激光性能反而下降，因此在实际应用中需要同时考虑圆盘的激光性能和光学损耗。同尺寸下，圆盘微腔的发光性能比正六边形微腔高。通过微腔结构能够调控激光的模式和辐射方向，该研究对于激光器的片上集成有着重要的参考价值。 第三部分研究直径为8微米的悬浮ZnO圆盘微腔的全光调控。在光泵浦条件下，通过泵浦功率由低到高和由高到低的对比测试，圆盘微腔的激光光谱均发生了先蓝移后红移的现象。实验结果相一致，从而实现了直径8微米悬浮ZnO圆盘微腔的全光调控。先蓝移后红移的原因可能是由于价带填充效应和电子空穴等离子体所造成的。该现象反映了一种新型的光学调控模式，可以作为一种新型的光开关器件。
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