氮化物分布布拉格反射鏡及其製備方法

2023-09-17 16:00:05 1

專利名稱：氮化物分布布拉格反射鏡及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種分布布拉格反射鏡，尤其是涉及一種利用金屬有機物化學氣相沉積 (MOCVD )製備氮化鎵(GaN )基微腔發光二極體(MCLED )和垂直腔面發射雷射器(VCSEL ) 中氮化物分布布拉格反射鏡(分布布拉格反射鏡簡稱為DBR)的技術。
背景技術：
由於在氮化物半導體發光二極體的製備中，導入氮化物DBR形成微腔MCLED ([l] Nakada, N" Nakaji, M., Ishikawa, et al. Improved characteristics of InGaN multiple-quantum-well light-emitting diode by GaN/AlGaN distributed Bragg reflector grown on sapphire[J], Appl. Phys. Lett., 2000, 76(14): 1804-1806)，可以大幅度地提高器件的發光功率和指向性。同時，具有高反 射率的氮化物DBR也是製備氮化物VCSEL ([2] Lu T C， Kao C C， Kuo H C， et al. CW lasing of current injection blue GaN-based vertical cavity surface emitting laser[J]. Appl Phys Lett, 2008， 92(14):1411021-1411023; [3] Wang S C, Lu T C, Kao C C, et al. Optically pumped GaN-based vertical cavity surface emitting lasers: technology and characteristics [J]. Jpn J Appl Phys, 2007， 46(8B):5397-5407)的關鍵技術。因此，氮化物DBR的製備至關重要。近年來，由於在高功 率光顯示和高密度光存儲領域的廣闊應用前景，因此GaN基VCSEL的研究引起人們極大的 興趣並取得了一系列突出進展。目前，用於GaN基VCSEL中的DBR主要有氮化物材料和介 質材料。與某些介質膜DBR (Si02/Zr02等)相比，氮化物DBR ([4] Huang G S, Lu T C, Yao H H, et al. Crack-free GaN/AlN distributed Bragg reflectors incorporated with GaN/AlN superlattices grown by metalorganic chemical vapor deposition[J]. Appl Phys Lett, 2006， 88(6):0619041-0619043; [5] Yao H H, Lin C F， Kuo H C, et al. MOCVD growth of AlN/GaN DBR structures under various ambient conditions[J]. J Cryst Growth, 2004, 262:151-156; [6] Ive T, Brandt O， Ploog K H. Conductive and crack-free AlN/GaN:Si distributed Bragg reflectors grown on 6H-SiC(0 0 0 l)[J]. J Ciyst Growth, 2005, 278: 355-360; [7] Kao C C， Peng Y C， Yao H H， et al. Fabrication and performance of blue GaN-based vertical-cavity surface emitting laser employing AlN/GaN and Ta205/Si02 distributed Bragg reflector[J].Appl Phys Lett, 2005, 87(8):0811051-0811053; [8] Mitrofanov O, Schmult S, Manfra M J, et al. High-reflectivityultraviolet AlGaN/AlGaN distributed Bragg reflectors[J]. Appl Phys Lett, 2006, 88(17): 1711011-1711013; [9] Schenk H P D， Mierry P de， Vennegues P, et al. In situ growth monitoring of distributed GaN—AlGaN Bragg reflectors by metalorganic vapor phase epitaxy[J]. ApplPhysLett,2002, 80(2):17f 176)的折射率差較小，要獲得滿足激射條件的高反射率氮化 物DBR結構，常需很多的周期數(25 60周期)。同時，由於氮化物DBR中兩種材料之間 通常有較大的晶格失配和熱膨脹係數差異(如AlN/GaN， AlGaN/GaN等)，DBR中存在大 量的應力和因此造成的位錯和裂紋，其光學質量隨之下降，進而使得其最大反射率和阻帶寬 度比理論結果要低很多。另外，氮化物DBR獲得光滑平整的表面仍然比較困難([5]YaoHH, Lin C F, Kuo H C， et al. MOCVD growth of AlN/GaN DBR structures under various ambient conditions[J]. J Cryst Growth, 2004， 262:151-156)，然而良好表面形貌是後續外延器件結構生長 的重要前提之一。

發明內容
本發明旨在提供一種高質量和具有良好表面形貌的氮化物分布布拉格反射鏡及其製備方法。
本發明所述的氮化物分布布拉格反射鏡設有藍寶石襯底，在藍寶石C面襯底表面生長 GaN緩衝層，在GaN緩衝層上生長由GaN層和氮化鋁(AIN)層構成的分布布拉格反射鏡 (DBR)，其中AlN或/和GaN中摻入銦(In)。
本發明所述的氮化物分布布拉格反射鏡的製備方法包括以下步驟
先對藍寶石C面襯底進行熱處理，然後在H2氣氛下生長GaN成核層，再升溫至1025 1045°C，生長GaN緩衝層；再生長5 30nm的A1N緩衝厚，隨後升溫使A1N層重新結晶； 最後在N2氣氛下重複交替生長A1N層和GaN層製備DBR，其中A1N層和GaN層中的一種 或兩種在生長時摻入銦(In)。
對藍寶石C面襯底進行熱處理的溫度可為1050 115(TC，熱處理的時間可為10 min。 GaN成核層的厚度最好為25nm， GaN緩衝層的厚度最好為1.2nm。再生長5 30nm的A1N 緩衝層的溫度最好為535'C。生長AlN層和GaN層過程中，摻入銦(In)的量按質量百分比 小於A1N層或/和GaN層的10%。
本發明所述的製備方法克服了現有的製備方法所存在的困難，由於採用生長前先在高溫 下對襯底熱處理，然後在H2氣氛下生長低溫GaN成核層，再升高溫度生長GaN緩衝層，再 生長A1N層，隨後升溫使緩衝層重新結晶，最後在N2氣氛下重複交替生長A1N層和GaN層 製備DBR。其中在生長AlN層和GaN層的過程中摻入銦(In)，因此本發明所製備的氮化物分布布拉格反射鏡不僅質量高，而且具有良好的表面形貌。


圖1為本發明實施例的氮化物DBR的結構示意圖。其中DBR是生長在GaN表面。 圖2為本發明實施例製備的氮化物DBR樣品Sl和S2的反射譜。在圖2中，橫坐標為 波長(nm)，縱坐標為反射率(％)。
圖3為本發明實施例1 MCLED的結構示意圖。 圖4為本發明實施例2VCSEL的結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，以用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)法在藍寶石C面襯底上製備由GaN 層和氮化鋁(A1N)層構成的DBR為例。生長前先在1100 'C高溫下對襯底1熱處理10 min，然 後在H2氣氛下生長25nrn低溫GaN成核層，再升高溫度到1035°C，生長1.2pm的GaN緩衝 層2。再生長約25nm的A1N層3，隨後升溫到103(TC使緩衝層重新結晶，最後在N2氣氛下 重複交替生長A1N層4和GaN層5製備DBR A，其中A1N層4和GaN層5中的一種或兩種 在生長時有摻入銦(In)。生長A1N層4和GaN層5過程中，氨氣(NH3)流量分別為 3.5slm 和 5slm，三甲基鋁源(TMA1)和三甲基鎵源(TMGa)流量分別為26.7和97.6pmoI/min。 DBR中兩種材料厚度根據中心波長設定。生長兩個系列的樣品，中心波長約在420nm (樣品 Sl)和460 nm (樣品S2)左右，相應的A1N層/GaN層DBR厚度分別設計為45.82/42.65 nm， 50.08/47.26 nm，周期數分別為35和40。氮化物DBR樣品Sl和S2的反射譜如圖2所示。
實施例1: MCLED相應的結構示意圖如圖3所示，使用MOCVD在藍寶石C面襯底1 上沉積GaN緩衝層2，然後再澱積底部氮化物DBR結構6，繼而生長總厚度為波長數倍(圖 中為3倍)的多層結構(從下至上依次包括n-GaN 7、 InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源 層8和p-GaN9等至少三個部分)，再接著製備頂部反射鏡10。該反射鏡可以是Ag或Al等 金屬反射膜或DBR。 n型電極11和p型電極12可通過光刻、耦合等離子體刻蝕(ICP)和濺 射工藝分別做在圖示n-GaN 7和p-GaN 9上。
實施例2: VCSEL相應的結構示意圖如圖4，使用MOCVD在藍寶石C面襯底1上沉積 GaN緩衝層2，隨後沉積底部氮化物DBR結構13，再生長總厚度為波長數倍(圖中為3倍) 的多層結構(從下至上依次包括n-GaN 14、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源層15和p-GaN 16等至少三部分)，最後澱積頂部DBR結構17。可根據需要選擇介質膜或氮化物DBR。不 同於MCLED的是VCSEL中量子阱有源層的位置要處在微腔18中所形成駐波的波峰或波谷 位置(即腔中光場強度最大位置)，上下反射鏡的反射率要足夠大以滿足雷射發射條件。
權利要求
1. 氮化物分布布拉格反射鏡，其特徵在於設有藍寶石襯底，在藍寶石C面襯底表面生長GaN緩衝層，在GaN緩衝層上生長由GaN層和氮化鋁層構成的分布布拉格反射鏡，其中AlN或/和GaN中摻入銦。
2. 如權利要求1所述的氮化物分布布拉格反射鏡的製備方法，其特徵在於其具體步驟為先對藍寶石C面襯底進行熱處理，然後在H2氣氛下生長GaN成核層，再升溫至1025 1045°C，生長GaN緩衝層；再生長5 30nrn的A1N緩衝層，隨後升溫使A1N層重新結晶；最後在N2氣氛下重複交替生長A1N層和GaN層製備DBR，其中A1N層和GaN層中的一種或兩種在生長時摻入銦。
3. 如權利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的製備方法，其特徵在於對藍寶石C面襯底進行熱處理的溫度為1050 1150°C。
4. 如權利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的製備方法，其特徵在於熱處理的時間為10min。
5. 如權利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的製備方法，其特徵在於GaN成核層的厚度為25nm。
6. 如權利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的製備方法，其特徵在於GaN緩衝層的厚度為1.2pm。
7. 如權利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的製備方法，其特徵在於再生長5 30nm的A1N緩衝層的溫度為535°C 。
8. 如權利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的製備方法，其特徵在於摻入銦的量按質量百分比小於A1N層或/和GaN層的10%。
全文摘要
氮化物分布布拉格反射鏡及其製備方法，涉及一種分布布拉格反射鏡，尤其是涉及一種利用金屬有機物化學氣相沉積製備氮化鎵基微腔發光二極體和垂直腔面發射雷射器中氮化物DBR的技術。提供一種高質量和具有良好表面形貌的氮化物分布布拉格反射鏡及其製備方法。氮化物DBR設襯底，在襯底上生長GaN緩衝層，再生長由GaN層和AlN層構成的DBR，AlN或/和GaN中摻入銦。先對藍寶石C面襯底進行熱處理，然後在H2氣氛下生長GaN成核層，升溫生長GaN緩衝層；再生長AlN緩衝層，隨後升溫使AlN層重新結晶；最後在N2氣氛下重複交替生長AlN層和GaN層製備DBR，其中AlN層和GaN層中的一種或兩種在生長時摻入銦。
文檔編號H01S5/00GK101478115SQ20091011094
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月22日 優先權日2009年1月22日
發明者尚景智, 張保平 申請人:廈門大學