CN101478115A - 氮化物分布布拉格反射镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

氮化物分布布拉格反射镜及其制备方法，涉及一种分布布拉格反射镜，尤其是涉及一种利用金属有机物化学气相沉积制备氮化镓基微腔发光二极管和垂直腔面发射激光器中氮化物DBR的技术。提供一种高质量和具有良好表面形貌的氮化物分布布拉格反射镜及其制备方法。氮化物DBR设衬底，在衬底上生长GaN缓冲层，再生长由GaN层和AlN层构成的DBR，AlN或/和GaN中掺入铟。先对蓝宝石C面衬底进行热处理，然后在H₂气氛下生长GaN成核层，升温生长GaN缓冲层；再生长AlN缓冲层，随后升温使AlN层重新结晶；最后在N₂气氛下重复交替生长AlN层和GaN层制备DBR，其中AlN层和GaN层中的一种或两种在生长时掺入铟。

Description

氮化物分布布拉格反射镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种分布布拉格反射镜，尤其是涉及一种利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)制备氮化镓(GaN)基微腔发光二极管(MCLED)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)中氮化物分布布拉格反射镜(分布布拉格反射镜简称为DBR)的技术。

背景技术

由于在氮化物半导体发光二极管的制备中，导入氮化物DBR形成微腔MCLED([1]Nakada，N.，Nakaji，M.，Ishikawa，et al.Improved characteristics of InGaN multiple-quantum-welllight-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发光功率和指向性。同时，具有高反射率的氮化物DBR也是制备氮化物VCSEL([2]Lu T C，Kao C C，Kuo H C，et al.CW lasing ofcurrent 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-basedvertical cavity surface emitting lasers：technology and characteristics[J].Jpn J Appl Phys，2007，46(8B)：5397-5407)的关键技术。因此，氮化物DBR的制备至关重要。近年来，由于在高功率光显示和高密度光存储领域的广阔应用前景，因此GaN基VCSEL的研究引起人们极大的兴趣并取得了一系列突出进展。目前，用于GaN基VCSEL中的DBR主要有氮化物材料和介质材料。与某些介质膜DBR(SiO₂/ZrO₂等)相比，氮化物DBR([4]Huang G S，Lu T C，YaoH H，et al.Crack-free GaN/AlN distributed Bragg reflectors incorporated with GaN/AlNsuperlattices 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 DBRstructures 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 on6H-SiC(0 0 0 1)[J].J Cryst 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 employingAlN/GaN and Ta₂O₅/SiO₂ distributed Brag greflector[J].Appl Phys Lett，2005，87(8)：0811051-0811053；[8]Mitrofanov O，Schmult S，Manfra M J，et al.High-reflectivityultraviolet AlGaN/AlGaN distributed Brag greflectors[J].Appl Phys Lett，2006，88(17)：1711011-1711013；[9]Schenk H P D，Mierry P de，Vennegues P，et al.In situ growthmonitoring of distributed GaN-AlGaN Bragg reflectors by metalorganic vapor phase epitaxy[J].Appl Phys Lett，2002，80(2)：174-176)的折射率差较小，要获得满足激射条件的高反射率氮化物DBR结构，常需很多的周期数(25～60周期)。同时，由于氮化物DBR中两种材料之间通常有较大的晶格失配和热膨胀系数差异(如：AlN/GaN，AlGaN/GaN等)，DBR中存在大量的应力和因此造成的位错和裂纹，其光学质量随之下降，进而使得其最大反射率和阻带宽度比理论结果要低很多。另外，氮化物DBR获得光滑平整的表面仍然比较困难([5]Yao H H，Lin C F，Kuo H C，et al.MOCVD growth of AlN/GaN DBR structures under various ambientconditions[J].J Cryst Growth，2004，262：151-156)，然而良好表面形貌是后续外延器件结构生长的重要前提之一。

发明内容

本发明旨在提供一种高质量和具有良好表面形貌的氮化物分布布拉格反射镜及其制备方法。

本发明所述的氮化物分布布拉格反射镜设有蓝宝石衬底，在蓝宝石C面衬底表面生长GaN缓冲层，在GaN缓冲层上生长由GaN层和氮化铝(AlN)层构成的分布布拉格反射镜(DBR)，其中AlN或/和GaN中掺入铟(In)。

本发明所述的氮化物分布布拉格反射镜的制备方法包括以下步骤：

先对蓝宝石C面衬底进行热处理，然后在H₂气氛下生长GaN成核层，再升温至1025～1045℃，生长GaN缓冲层；再生长5～30nm的AlN缓冲层，随后升温使AlN层重新结晶；最后在N₂气氛下重复交替生长AlN层和GaN层制备DBR，其中AlN层和GaN层中的一种或两种在生长时掺入铟(In)。

对蓝宝石C面衬底进行热处理的温度可为1050～1150℃，热处理的时间可为10min。GaN成核层的厚度最好为25nm，GaN缓冲层的厚度最好为1.2μm。再生长5～30nm的AlN缓冲层的温度最好为535℃。生长AlN层和GaN层过程中，掺入铟(In)的量按质量百分比小于AlN层或/和GaN层的10％。

本发明所述的制备方法克服了现有的制备方法所存在的困难，由于采用生长前先在高温下对衬底热处理，然后在H₂气氛下生长低温GaN成核层，再升高温度生长GaN缓冲层，再生长AlN层，随后升温使缓冲层重新结晶，最后在N₂气氛下重复交替生长AlN层和GaN层制备DBR。其中在生长AlN层和GaN层的过程中掺入铟(In)，因此本发明所制备的氮化物分布布拉格反射镜不仅质量高，而且具有良好的表面形貌。

附图说明

图1为本发明实施例的氮化物DBR的结构示意图。其中DBR是生长在GaN表面。

图2为本发明实施例制备的氮化物DBR样品S1和S2的反射谱。在图2中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为反射率(％)。

图3为本发明实施例1MCLED的结构示意图。

图4为本发明实施例2VCSEL的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，以用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在蓝宝石C面衬底上制备由GaN层和氮化铝(AlN)层构成的DBR为例。生长前先在1100℃高温下对衬底1热处理10min，然后在H₂气氛下生长25nm低温GaN成核层，再升高温度到1035℃，生长1.2μm的GaN缓冲层2。再生长约25nm的AlN层3，随后升温到1030℃使缓冲层重新结晶，最后在N₂气氛下重复交替生长AlN层4和GaN层5制备DBRA，其中AlN层4和GaN层5中的一种或两种在生长时有掺入铟(In)。生长AlN层4和GaN层5过程中，氨气(NH3)流量分别为～3.5slm和～5slm，三甲基铝源(TMA1)和三甲基镓源(TMGa)流量分别为26.7和97.6μmol/min。DBR中两种材料厚度根据中心波长设定。生长两个系列的样品，中心波长约在420nm(样品S1)和460nm(样品S2)左右，相应的AlN层/GaN层DBR厚度分别设计为45.82/42.65nm，50.08/47.26nm，周期数分别为35和40。氮化物DBR样品S1和S2的反射谱如图2所示。

实施例1：MCLED相应的结构示意图如图3所示，使用MOCVD在蓝宝石C面衬底1上沉积GaN缓冲层2，然后再淀积底部氮化物DBR结构6，继而生长总厚度为波长数倍(图中为3倍)的多层结构(从下至上依次包括n-GaN7、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源层8和p-GaN 9等至少三个部分)，再接着制备顶部反射镜10。该反射镜可以是Ag或Al等金属反射膜或DBR。n型电极11和p型电极12可通过光刻、耦合等离子体刻蚀(ICP)和溅射工艺分别做在图示n-GaN 7和p-GaN 9上。

实施例2：VCSEL相应的结构示意图如图4，使用MOCVD在蓝宝石C面衬底1上沉积GaN缓冲层2，随后沉积底部氮化物DBR结构13，再生长总厚度为波长数倍(图中为3倍)的多层结构(从下至上依次包括n-GaN 14、InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源层15和p-GaN16等至少三部分)，最后淀积顶部DBR结构17。可根据需要选择介质膜或氮化物DBR。不同于MCLED的是VCSEL中量子阱有源层的位置要处在微腔18中所形成驻波的波峰或波谷位置(即腔中光场强度最大位置)，上下反射镜的反射率要足够大以满足激光发射条件。

Claims (8)

1.氮化物分布布拉格反射镜，其特征在于设有蓝宝石衬底，在蓝宝石C面衬底表面生长GaN缓冲层，在GaN缓冲层上生长由GaN层和氮化铝层构成的分布布拉格反射镜，其中AlN或/和GaN中掺入铟。

2.如权利要求1所述的氮化物分布布拉格反射镜的制备方法，其特征在于其具体步骤为：

先对蓝宝石C面衬底进行热处理，然后在H₂气氛下生长GaN成核层，再升温至1025～1045℃，生长GaN缓冲层；再生长5～30nm的AlN缓冲层，随后升温使AlN层重新结晶；最后在N₂气氛下重复交替生长AlN层和GaN层制备DBR，其中AlN层和GaN层中的一种或两种在生长时掺入铟。

3.如权利要求2所述的氮化物分布布拉格反射镜的制备方法，其特征在于对蓝宝石C面衬底进行热处理的温度为1050～1150℃。

4.如权利要求2所述的氮化物分布布拉格反射镜的制备方法，其特征在于热处理的时间为10min。

5.如权利要求2所述的氮化物分布布拉格反射镜的制备方法，其特征在于GaN成核层的厚度为25nm。

6.如权利要求2所述的氮化物分布布拉格反射镜的制备方法，其特征在于GaN缓冲层的厚度为1.2μm。

7.如权利要求2所述的氮化物分布布拉格反射镜的制备方法，其特征在于再生长5～30nm的AlN缓冲层的温度为535℃。

8.如权利要求2所述的氮化物分布布拉格反射镜的制备方法，其特征在于掺入铟的量按质量百分比小于AlN层或/和GaN层的10％。

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