CN104242055A - 半导体dbr、半导体发光器件及制造半导体dbr 的方法 - Google Patents

半导体dbr、半导体发光器件及制造半导体dbr 的方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体DBR、半导体发光器件及制造半导体DBR的方法。该半导体DBR包括第一多层结构、第二多层结构以及保护层。第一多层结构包括：多个第一半导体层，一个或更多个第二半导体层，每个第二半导体层都***在多个第一半导体层中的对应一对第一半导体层之间；第二多层结构包括：多个第三半导体层，一个或更多个第二半导体层，每个第二半导体层都***在多个第三半导体层中的对应一对第三半导体层之间；保护层***在第一多层结构与第二多层结构之间。第二半导体层具有比第一半导体层低的分解温度。第三半导体层具有比第二半导体层低的分解温度。

Description

半导体DBR、半导体发光器件及制造半导体DBR 的方法
技术领域
本发明涉及一种半导体DBR、半导体发光器件、固态激光器、光声装置、图像形成装置以及用于制造所述半导体DBR的方法。
背景技术
垂直腔型表面发射激光器(垂直腔表面发射激光器，VCSEL)是包括在激光器的垂直方向上在基板上所形成的腔体的激光器，所述腔体由两个反射器以及***在两个反射器之间的有源层构成。作为反射器，使用布拉格反射器(分布式布拉格反射器，DBR)，其包括具有不同折射率的两层，这两层多次交替堆叠在彼此顶部并且每层具有与1/4波长对应的光学厚度。构成DBR的各层包括介电物质或半导体，并且在很多情况下，从形成器件的观点来说，采用半导体。
VCSEL的有源层的厚度非常小，这使得难以实现大增益。因此，期望构成腔体的反射器的反射率增加到99％或更大。为了增加充当反射器的DBR的反射率，期望增加成对的具有不同折射率的两层的数量以及折射率的差。
在通过外延生长来形成由半导体构成的DBR的情况下，期望减少在基板与待在基板上外延生长的半导体之间的晶格常数之差。较大的晶格常数之差导致晶格应变，这在外延膜中导致面内应力。这可能导致半导体层的表面平坦性的降级以及半导体层中的裂化的产生。
例如，拉伸应力产生在GaN基板上形成的AlGaN层中，压缩应力产生在GaN基板上形成的InGaN层中。在日本专利公开No.2000-349393中，通过在800℃使得AlGaN层和InGaN层在彼此顶部上交替生长来在GaN基板上形成半导体DBR。因此，在日本专利公开No.2000-349393中，通过交替地将AlGaN层和InGaN层堆叠在彼此顶部来抑制裂化的产生，由此补偿晶格应变。
发明内容
相应地，本发明各方面可以提供一种由具有良好晶体质量的层所构成的半导体DBR。
具体地说，本发明的各方面提供一种半导体分布式布拉格反射器(DBR)，包括：第一多层结构，第一多层结构包括多个第一半导体层以及一个或更多个第二半导体层，每个第二半导体层均***在对多个第一半导体层中的对应一对第一半导体层之间；第二多层结构，包括多个第三半导体层以及一个或更多个第二半导体层，每个第二半导体层均***在多个第三半导体层中的对应一对第三半导体层之间；以及保护层，***在第一多层结构与第二多层结构之间。第二半导体层具有比第一半导体层低的分解温度。第三半导体层具有比第二半导体层低的分解温度。所述半导体DBR具有在波长λ处的峰值反射率。所述多个第一半导体层、所述一个或更多个第二半导体层和所述多个第三半导体层中每一层都具有nλ/4的光学厚度(其中，n是大于等于1的奇数)。保护层具有mλ/2的光学厚度(其中，m是大于等于1的自然数)。保护层的与第二多层结构形成接触的一部分包括具有比第三半导体层高的分解温度的材料。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的半导体DBR的结构的示图。
图2是示出根据本发明实施例的半导体DBR的详细结构的示图。
图3是示出面内应力和层厚度的组合与裂化的产生之间的关系的图。
图4是示出示例1中制备的氮化物半导体DBR的示图。
图5是示出示例1中制备的氮化物半导体DBR的累积应力的图。
图6是示出示例1中制备的氮化物半导体DBR的反射属性的图。
图7是示出示例2中制备的RC-LED的结构的示图。
图8是示出示例2中制备的RC-LED的累积应力的图。
图9是示出示例3中制备的VCSEL的结构的示图。
图10是示出示例3中制备的VCSEL的累积应力的图。
图11是示出根据示例4的固态激光器的示意图。
图12是示出根据示例5的光声装置的示意图。
图13A和图13B是示出根据示例6的图像形成装置的示意图。
具体实施方式
如上所述，在日本专利公开No.2000-349393中，AlGaN层和InGaN层在800℃在彼此的顶部上交替生长。然而，AlGaN和InGaN具有不同的最佳生长温度。具体地说，AlGaN优选地在大约1000℃至大约1300℃生长，而InGaN优选地在大约600℃至大约900℃生长。相应地，优选的是，通过改变生长温度来使得这些层生长，以便实现在AlGaN层与InGaN层之间具有良好结晶性和陡峭异质界面的DBR，即具有高反射率的DBR。
然而，生长温度的改变可能导致晶体质量的降级。例如，如果温度在InGaN层生长之后增加到AlGaN层的生长温度，则InGaN层的表面暴露于高热量，并因此InGaN层分解，这使得难以生长平坦膜。此外，每次温度增加或减少时，由于InGaN层与AlGaN层之间的热膨胀系数之差而导致的面内应力就产生在InGaN层和AlGaN层中，这增加了产生晶体缺陷的风险。特别地，当几十个周期的InGaN层和AlGaN层堆叠在彼此的顶部上以增加DBR的反射率时，温度重复地增加或减少几十次。因此，累积几十次的热历史。上述因素带来半导体DBR的晶体质量的降级，这导致半导体DBR的反射率的降低。
如果这种具有降级的晶体质量的半导体DBR用于制造发光器件(如VCSEL)，则发光器件的发光属性变得降级。
相应地，本发明提供一种包括拥有不同生长温度的具有较低折射率的层和具有较高折射率的层的半导体DBR，例如包括AlGaN层和InGaN层的半导体DBR，其中，各层的热分解受抑制。本发明还提供一种由于生长温度的改变而产生的热历史得以减少的半导体DBR。由于上述半导体DBR具有良好晶体质量，所以其充当具有高反射率的反射器。
以下参照附图来描述根据本发明一个实施例的半导体DBR。采用包括基于GaN的材料的半导体DBR作为示例来给出该实施例中的以下描述。然而，该实施例中可以采用的半导体材料不限于此；除了基于GaN的材料之外，还可以采用诸如基于InP的材料和基于GaAs的材料之类的半导体材料。
结构
图1示出基板101上所形成的根据该实施例的半导体DBR110。根据实施例的半导体DBR包括充当第一多层结构的AlGaN/GaN多层结构103、相位匹配层(保护层)105、充当第二多层结构的InGaN/GaN多层结构104以及相位匹配层105，它们以此顺序重复地堆叠在彼此的顶部上。根据该实施例的半导体DBR110被设计为使得峰值反射率产生的波长λ(下文中又称为“峰值波长”)是大约400nm。根据该实施例的半导体DBR可以设计为与任何峰值波长对应。
替代地，半导体DBR110的InGaN/GaN多层结构104、相位匹配层105、AlGaN/GaN多层结构103和相位匹配层105可以按此顺序堆叠在彼此的顶部上。
在该实施例中，在基板101上生长基于GaN的材料。因此，基板101的材料期望地是具有接近GaN的晶格常数的材料。可以用作基板101的基板的示例包括GaN基板和通过在不同于GaN的基板(包括GaN可以在上面生长的蓝宝石、Si、GaAs、SiC等)上沉积GaN层所形成的GaN模板基板。取决于待在基板101上生长的材料而适当地选择基板101的材料。
图2示出AlGaN/GaN多层结构103、InGaN/GaN多层结构104和相位匹配层105的详细结构。
AlGaN/GaN多层结构103包括：AlGaN层102a，其充当第一半导体层并且均具有λ/4的光学厚度；GaN层102b，其充当第二半导体层并且均具有λ/4的光学厚度。GaN层102b均***在对应的一对AlGaN层102a之间。在该实施例中，层的光学厚度指该层的厚度与该层的折射率的乘积。
InGaN/GaN多层结构104包括：GaN层102b；InGaN层102c，其充当第三半导体层，并且均具有λ/4的光学厚度。GaN层102b均***在对应的一对InGaN层102c之间。应注意构成AlGaN/GaN多层结构103和InGaN/GaN多层结构104的各层的光学厚度不限于λ/4并且可以替代地设置为nλ/4，其中，n是1或更大的奇数，并且优选地是1或3。
相位匹配层105具有λ/2的光学厚度，并且***在AlGaN/GaN多层结构103与InGaN/GaN多层结构104之间。相位匹配层105用于匹配AlGaN/GaN多层结构103与InGaN/GaN多层结构104之间的驻波的相位。在该实施例中，相位匹配层105是以GaN构成并且与AlGaN/GaN多层结构103中的AlGaN层102a和InGaN/GaN多层结构104中的InGaN层102c接触的单层。相位匹配层105的光学厚度不限于λ/2并可以替代地设置为mλ/2，其中，m是1或更大的自然数，并且优选地是1或2。
折射率
通常在AlGaN层102a、GaN层102b和InGaN层102c的各折射率之间存在以下关系：
InGaN层102c>GaN层102b>AlGaN层102a
换句话说，在AlGaN/GaN多层结构103中，AlGaN层102a充当具有较低折射率的层，而GaN层102b充当具有较高折射率的层。另一方面，在InGaN/GaN多层结构104中，GaN层充当具有较低折射率的层，而InGaN层充当具有较高折射率的层。
相位匹配层105的与AlGaN层102a和相位匹配层105之间的界面接触并且具有λ/4光学厚度的一部分充当具有比AlGaN层102a更高的折射率的层。另一方面，相位匹配层105的与InGaN层102c和相位匹配层105之间的界面接触并且具有λ/4光学厚度的一部分充当具有比InGaN层102c更低的折射率的层。
因为存在上述折射率关系，所以根据该实施例的半导体DBR110充当DBR。
根据该实施例的半导体DBR110充当DBR，只要在与各个界面接触并且具有λ/4光学厚度的相位匹配层105的各部分的平均折射率之间存在上述关系即可。
分解温度
半导体的带隙越大，半导体的分解温度就越高。例如，在氮化物半导体的各分解温度之间存在以下关系：
AlN>AlGaN>GaN>InGaN>InN
换句话说，在该实施例中，GaN层102b具有比AlGaN层102a更低的分解温度。InGaN层102c具有比AlGaN层102a和GaN层102b更低的分解温度。总之，构成根据该实施例的半导体DBR110的各层的分解温度满足以下关系：
AlGaN层102a>GaN层102b>InGaN层102c
通常，上述材料具有它们自身的最佳生长温度。例如，在采用MOCVD的情况下，AlGaN层102a优选地通常在大于等于1000℃并且小于等于1300℃生长，这取决于Al含量而变化。如果温度超过1300℃(其为AlGaN的分解温度)，则AlGaN很可能分解。
GaN层102b优选地在大于等于800℃或小于等于1200℃生长。如果温度超过1200℃(其为GaN的分解温度)，则GaN很可能分解。
InGaN层102c优选地在大于等于600℃并且小于等于900℃生长，这取决于In含量而变化。如果温度超过900℃(其为InGaN的分解温度)，则InGaN很可能分解。
半导体分子的分解和供给都产生在最佳生长温度左右。因为所供给的分子的数量大于所分解的分子的数量，所以允许晶体生长。此外，原子的迁移在最佳生长温度时是活跃的，这产生晶体的良好质量和良好表面平坦性。接近最佳生长温度的上限的温度最适合于晶体的生长。因此，构成根据实施例的半导体DBR110的各层优选地在接近最佳生长温度的上限的温度生长。
然而，如果生长温度超过最佳生长温度，则所分解的分子的数量变得过大，并且超过所供给的分子的数量，这使得难以形成具有良好结晶性的膜。因此，在该实施例中，术语“分解温度”指最佳生长温度的上限。更确切地说，比最佳生长温度高并且所分解的半导体原子或半导体分子的数量超过所供给的半导体原子或半导体分子的数量的温度可以被称为“分解温度”。
如果半导体在比其最佳生长温度低的温度生长，则所分解的半导体原子或半导体分子的数量减少。然而，原子的迁移变得很弱，这因此使得晶体的表面平坦性恶化。
以下描述用于形成AlGaN/GaN多层结构103和InGaN/GaN多层结构104的方法。
在该实施例中，通过使AlGaN层102a和GaN层102b在低于或等于GaN层102b的分解温度的恒定生长温度外延生长来形成AlGaN/GaN多层结构103。生长温度可以比InGaN层102c的分解温度高。由于生长温度低于或等于GaN层102b的分解温度，因此可以在抑制AlGaN层102a和GaN层102b的分解的同时使这些层生长。由于在恒定生长温度形成多层结构，因此可以减少在形成各层期间所导致的温度的上升和下降的重复次数。
在该实施例中，通过对充当用于外延生长的基板的层进行加热来提高各层的温度。通过自然热量耗散来降低温度。用基板的***中所安装的热电偶来测量温度。应注意，用于控制温度的方法不受限，只要其允许控制充当用于外延生长的基板的层的温度即可。
AlGaN/GaN多层结构103是通过例如在800℃至1200℃(这是GaN的生长温度)连续地供给Ga原材料的同时打开和关闭供给Al原材料的阀门来形成的。因为如果GaN在最适合于AlGaN生长的1300℃左右生长则GaN很可能分解，所以在800℃至1200℃(这是GaN的生长温度)形成AlGaN/GaN多层结构103。更优选地在AlGaN和GaN的最佳生长温度共存的1000℃至1200℃形成AlGaN/GaN多层结构103。
InGaN/GaN多层结构104通过使GaN层102b和InGaN层102c在低于或等于InGaN层102c的分解温度的恒定温度外延生长来形成。由于该温度低于或等于InGaN层102c的分解温度，因此可以在抑制GaN层102b和InGaN层102c的分解的同时使得这些层生长。由于多层结构在恒定生长温度形成，因此可以减少在形成各层期间所产生的温度的上升和下降的重复次数。
通过例如在600℃至900℃(这是InGaN的最佳生长温度)供给Ga原材料的同时打开和关闭供给In原材料的阀门来形成InGaN/GaN多层结构104。更优选地在InGaN和GaN的最佳生长温度共存的800℃至900℃形成InGaN/GaN多层结构104。
以下描述用于在形成InGaN/GaN多层结构104之后形成AlGaN/GaN多层结构103的方法。
通过在低于或等于InGaN层102c的分解温度的温度(例如900℃)交替地将GaN层102b和InGaN层102c堆叠在彼此顶部来形成InGaN/GaN多层结构104。通过在低于或等于InGaN层102c的分解温度并且接近GaN的分解温度(1200℃)的温度生长GaN层102b，GaN层102b的晶体质量得以增强。
随后，将要在接近GaN层102b的分解温度的温度(例如1150℃)形成AlGaN/GaN多层结构103。然而，由于InGaN/GaN多层结构104的最上表面是InGaN层102c，所以如果在InGaN层102在最上的情况下温度增加到1150℃，则因为温度超过InGaN层102c的分解温度(900℃)所以InGaN层102c可能分解。因此，期望地在InGaN/GaN多层结构104上形成保护InGaN层102c不分解的保护层。保护层的材料期望地满足以下条件：以该材料所形成的保护层即使在低于或等于InGaN层102c的分解温度的温度被形成时也具有良好晶体质量；并且保护层具有比AlGaN/GaN多层结构103的生长温度更高的分解温度。
在该实施例中，相应地，在低于或等于InGaN层102c的分解温度的温度(例如900℃)形成以GaN构成的相位匹配层105，其充当保护层。在该实施例中，如上所述，形成具有λ/2光学厚度的相位匹配层105，以便调整AlGaN/GaN多层结构103与InGaN/GaN多层结构104之间的驻波的相位。
替代地，在相位匹配层105的一部分已经在低于或等于InGaN层102c的分解温度的温度生长之后，该温度可以改变，并且随后相位匹配层105的其余部分可以生长。在另一情况下，在相位匹配层105的一部分的生长之后，该温度可以提高到AlGaN/GaN多层结构103的生长温度，并且然后相位匹配层105的其余部分可以生长。在相位匹配层105具有多层结构的情况下，在低于或等于InGaN层102c的分解温度的温度形成相位匹配层105中的一些子层之后，生长温度可以取决于构成多层结构的其它子层的材料而适当地改变。
如上所述，相位匹配层105充当抑制InGaN层102c的分解的保护层，只要以具有比InGaN层102c更高的分解温度的材料来构成相位匹配层105的与InGaN/GaN多层结构104形成接触的一部分即可。
通过以具有比InGaN层102c更高的分解温度的材料来保护InGaN层从而防止InGaN层经受高温，可以形成具有良好晶体质量的InGaN层102c。
相位匹配层105可以具有任何结构，只要满足上述折射率关系和上述分解温度关系即可。例如，相位匹配层105可以具有由GaN层以及***在各GaN层之间的层所构成的多层结构。
以下描述用于在形成AlGaN/GaN多层结构103之后生长InGaN/GaN多层结构104的方法。
通过在低于或等于GaN层102b的分解温度并且高于InGaN层102c的分解温度的温度(例如1150℃)交替地将AlGaN层102a和GaN层102b堆叠在彼此的顶部来形成AlGaN/GaN多层结构103。
在把温度保持在1150℃的同时，形成以具有λ/2光学厚度的GaN构成的相位匹配层105。
温度减小到低于或等于InGaN层102c的分解温度的温度(例如900℃)。然后，通过在900℃交替地将InGaN层102c和GaN层102b堆叠在彼此的顶部来形成InGaN/GaN多层结构104。
在该实施例中，在不同的恒定温度形成AlGaN/GaN多层结构103和InGaN/GaN多层结构104，这允许在很小的温度的上升和下降的重复次数的情况下形成多层结构。这样实现了根据该实施例的半导体DBR110中所累积的热历史的减少。因此，可以提供一种具有良好晶体生长的半导体DBR。
在该实施例中，本发明的发明人关注以下几点：AlGaN、InGaN和GaN的分解温度满足关系：“AlGaN>GaN>InGaN”；存在AlGaN和GaN的最佳生长温度共存的温度范围；以及存在InGaN和GaN的最佳生长温度共存的温度范围。基于这些发现，发明人已经采用AlGaN、InGaN和GaN作为根据该实施例的半导体DBR110的材料。应注意，任何满足分解温度和最佳生长温度的上述关系的材料可以用作根据该实施例的半导体DBR的材料。
面内应力、临界层厚度和裂化之间的关系
以下描述半导体DBR中的面内应力、临界层厚度与裂化的产生之间的关系。
GaN基板上外延生长的AlGaN层中所产生的拉伸应变导致拉伸应力。另一方面，InGaN层中所产生的压缩应变导致压缩应力。因此，如果并未适当地设计外延生长的层中所产生的面内应力及其厚度，则裂化和点蚀(pitting)可能产生在外延生长的层中，这减少了该层的反射率。当层的面内应力和厚度的乘积超过特定值时，裂化和点蚀产生。在多层结构中，当构成多层结构的各层的面内应力和厚度的乘积的累积值超过特定值时，裂化和点蚀产生。裂化和点蚀产生在层中的层的厚度在此被称为“临界层厚度”。
根据该实施例的半导体DBR110包括AlGaN/GaN多层结构103和InGaN/GaN多层结构104，其交替地堆叠在彼此的顶部上，由此补偿晶格应变。
在基板的c平面上外延生长的基板半导体层的应变和c平面中所产生的应力由以下公式表示：
ϵ = a s - a 0 a 0 . . . ( 1 )
σ = { C 11 + C 12 - 2 C 13 2 C 33 } ϵ . . . ( 2 )
A = Σ i = 1 x σ i · h i . . . ( 3 )
在公式(1)中，ε表示晶格应变；as表示当晶体畸变时的晶格常数；a0表示当晶体不畸变时的晶格常数。在公式(2)中，σ表示面内应力；C11、C12、C13和C33均表示弹性刚度常数。正的σ说明在晶体中产生拉伸应力，负的σ表示在晶体中产生压缩应力。在公式(3)中，A表示累积应力(其为构成包括在彼此的顶部堆叠的x个层的多层结构的各层的面内应力和厚度的乘积的总和)；x表示堆叠层的总数量；σi表示第i半导体层的面内应力；以及hi表示第i半导体层的厚度。
当AlGaN和InGaN在GaN基板上外延生长以使得AlGaN层和InGaN层的厚度不超过各个临界厚度时，AlGaN和InGaN的a轴晶格常数基本上等于GaN的a轴晶格常数。因此，在该实施例中，通过将GaN的a轴晶格常数代入到as并且将未畸变的外延生长的层的晶格常数代入到a0来计算累积应力A。弹性刚度常数是根据维加德定律(Vegard’s Law)使用GaN和AlN的弹性刚度常数来确定的。
表1示出在该实施例中用于使用公式(2)的计算的弹性刚度常数。
表1
 GaN AlN InN
C11(GPa) 365 398 271
C12(GPa) 135 142 124
C13(GPa) 114 112 94
C33(GPa) 381 383 200
图3示出AlGaN层的厚度和AlGaN层中的Al含量的组合与AlGaN层中的裂化的产生之间的关系，AlGaN层在通过在几平方毫米的GaN基板或2英寸蓝宝石基板上生长GaN所形成的GaN模板基板上形成。通过以显微镜观察AlGaN层的表面来评价裂化的产生。如从图3理解的那样，Al含量越高，面内应力就越大。
在图3中，以圆形来标记裂化不产生在AlGaN层中的厚度和Al含量的组合，以三角形来标记少数裂缝出现在AlGaN层中的厚度和Al含量的组合，以叉号来标记大量裂缝以高密度出现在AlGaN层中的厚度和Al含量的组合。在与用叉号标记的组合对应的AlGaN层中，由于高密度形成的裂缝而产生的晶格应变的减少通过X射线衍射倒易空间映射或曲率监测(X-ray diffraction reciprocal space mapping orcurvature monitoring)而被确认。另一方面，在与用三角形标记的组合对应的AlGaN层中，X射线衍射倒易空间映射或曲率监测并未确认晶格应变的减少。
在图3中，所计算出的临界层厚度由针对在AlGaN层中产生的拉伸应力(GPa)与AlGaN层的厚度(nm)的乘积分别是800GPa·nm和400GPa·nm的实线和虚线示出。
图3所示的实验结果示出以下情况：当拉伸应力与厚度的乘积超过800GPa·nm时，裂化由于拉伸应力而以高密度产生在AlGaN层中；而当拉伸应力与厚度的乘积是400至800GPa·nm时，裂化以很小的量而产生。相应地，在根据该实施例的半导体DBR中，使用公式(3)所计算出的累积应力优选地是800GPa·nm或更小，并且更优选地，400GPa·nm或更小。
通过使用显微镜来观察在GaN基板上生长的具有5％的In含量的InGaN层的表面来检查面内应力所导致的点蚀。结果，确认了当累积应力比-1000GPa·nm在负的程度上更大时，点蚀以高密度产生。还确认了当累积应力大于等于-1000GPa·nm并且小于等于-600GPa·nm时点蚀不产生或以很小的量产生。当累积应力大于-600GPa·nm并且小于等于0GPa·nm时，点蚀不产生。相应地，在根据该实施例的半导体DBR中，使用公式(3)所计算的累积应力优选地是-1000GPa·nm或更大，并且更优选地，-600GPa·nm或更大。
为了将半导体DBR110用作DBR并且将累积应力设置在大于等于-1000GPa·nm并且小于等于800GPa·nm的范围内，构成半导体DBR110的层的厚度可以从与上述光学厚度对应的厚度增加或减少30％。应注意构成根据该实施例的半导体DBR的层的厚度可以在制造误差的量级上相对于所设计的厚度偏离某个量，这也在本发明的范围内。
示例
示例1
以下描述示例1中所制备的氮化物半导体DBR。
图4是GaN基板401上所形成的氮化物半导体DBR410的示意性截面图。在示例1中，通过将充当第二多层结构的InGaN/GaN多层结构404、充当相位匹配层的GaN层405和充当第一多层结构的AlGaN/GaN多层结构403以此顺序重复地堆叠在彼此的顶部上来制备氮化物半导体DBR410。示例1的氮化物半导体DBR410被设计为使得峰值反射率发生在400nm的波长处。
表2示出构成AlGaN/GaN多层结构403、InGaN/GaN多层结构404或相位匹配层405的每个层的折射率、与λ/4的光学厚度对应的厚度(对于相位匹配层405，与λ/2的光学厚度对应的厚度)、所设计的厚度、堆叠层的数量以及面内应力。
表2
以*标记的值表示与λ/2光学厚度对应的相位匹配层的厚度。
在示例1中，InGaN层中的In含量被设置为5％，AlGaN层中的Al含量设置为30％。AlGaN层的厚度从与λ/4的光学厚度对应的厚度减少大约10％，以使得AlGaN层所产生的拉伸应力得以减少。
以下描述用于制备示例1中的氮化物半导体DBR410的方法。
在MOCVD***中放置GaN基板401。
把温度升高到900℃，通过外延生长将InGaN层402c和GaN层402b交替地堆叠在彼此的顶部上。因此，在GaN基板401上形成InGaN/GaN多层结构404。InGaN/GaN多层结构404包括五个InGaN层402c和四个GaN层402b。在900℃通过打开和关闭供给三甲基铟(TMIn)原材料的阀门使用三甲基镓(TMGa)和TMIn作为原材料来形成InGaN/GaN多层结构404。
在把基板温度保持在900℃的同时，通过外延生长而在InGaN/GaN多层结构404上形成充当相位匹配层的GaN层405。仅使用TMGa作为原材料来形成GaN层405。
把温度升高到1150℃，通过外延生长将AlGaN层402a和GaN层402b交替地堆叠在彼此的顶部上。因此，在GaN层405上形成AlGaN/GaN多层结构403。AlGaN/GaN多层结构403包括三个AlGaN层402a和两个GaN层402b。在1150℃通过打开和关闭供给三甲基铝(TMAl)原材料的阀门使用TMGa和TMAl作为原材料来形成AlGaN/GaN多层结构403。
在基板温度被保持在1150℃的同时，在AlGaN/GaN多层结构403上形成充当相位匹配层的GaN层405。
通过与以下所描述的相同步骤，InGaN/GaN多层结构404和AlGaN/GaN多层结构403交替地重复形成在彼此的顶部上，其中，GaN层405均***在对应的一对InGaN/GaN多层结构404与AlGaN/GaN多层结构403之间。示例1中所制备的氮化物半导体DBR410包括四个InGaN/GaN多层结构404和四个AlGaN/GaN多层结构403。
在考虑驻波的相位的情况下，在AlGaN/GaN多层结构403上形成具有40nm厚度的GaN层406。示例1中所制备的氮化物半导体DBR410包括GaN层406，并由此充当DBR。
氮化物半导体DBR410是通过上述步骤来制备的。观察半导体DBR410的表面，点蚀和裂缝并未出现。
图5示出在上述层的生长期间产生的使用公式(3)所计算出的累积应力。在示例1中，氮化物半导体DBR410的累积应力被设计为在-1000至0GPa·nm的范围内。
图6示出氮化物半导体DBR410的反射属性。氮化物半导体DBR410在399nm的波长处具有89％的峰值反射率。
示例2
在示例2中，谐振腔发光二级管(RC-LED)被描述为包括氮化物半导体DBR的半导体发光器件的示例。
图7是在示例2中制备的RC-LED的示意性截面图。示例2的RC-LED包括GaN基板501、下DBR511、有源层506a和上DBR512，它们以此顺序堆叠在彼此的顶部上。有源层506a***在两个反射器(即下DBR511与上DBR512)之间，由此形成腔体。下DBR511和上DBR512被设计为使得峰值反射率产生在400nm的波长λ处。
有源层506a由InGaN/GaN多量子阱构成并且当载流子注入到有源层506a时发射光。
下DBR511和上DBR512均包括AlGaN/GaN多层结构503、InGaN/GaN多层结构504和相位匹配层505。
表3示出构成AlGaN/GaN多层结构503、InGaN/GaN多层结构504或相位匹配层505的每个层的折射率、与λ/4的光学厚度对应的厚度(对于相位匹配层505，与λ/2的光学厚度对应的厚度)、所设计的厚度、堆叠层的数量以及面内应力。
表3
以*标记的值表示与λ/2的光学厚度对应的相位匹配层的厚度。
在示例2中，InGaN层中的In含量被设置为5％，AlGaN层中的Al含量设置为20％。
以下描述用于制备示例2中的RC-LED的方法。
在MOCVD***中放置GaN基板501。
通过交替地堆叠五个InGaN/GaN多层结构504和五个AlGaN/GaN多层结构503而在GaN基板501上形成下DBR511，其中，充当相位匹配层的GaN层505均***在对应的一对InGaN/GaN多层结构504和AlGaN/GaN多层结构503之间，如示例1中那样。因此，下DBR511包括InGaN/GaN多层结构504、GaN层505和AlGaN/GaN多层结构503，它们以此顺序重复地堆叠在彼此的顶部上。以Si来掺杂构成下DBR511的半导体。通过上述步骤，形成n型下DBR511。
在1150℃在下DBR511上形成充当间隔物层的GaN层506b。在850℃在GaN层506b上堆叠由InGaN/GaN多量子阱所构成的有源层506a，以使得GaN层位于有源层506a的最上表面处。在1150℃在有源层506a上形成充当间隔物层的GaN层506c。有源层506a和两个间隔物层的总光学厚度被设置为λ(400nm)。根据驻波的谐振峰值的位置来确定有源层506a的位置。应注意有源层506a和两个间隔物层的总光学厚度不限于λ并且可以设置为λ的任何整数倍。
通过以与下DBR511中的顺序相反的顺序交替地堆叠五个AlGaN/GaN多层结构503和五个InGaN/GaN多层结构504来在GaN层506c上形成上DBR512，其中，充当相位匹配层的GaN层505均***在对应的一对AlGaN/GaN多层结构503和InGaN/GaN多层结构504之间。因此，上DBR512包括AlGaN/GaN多层结构503、GaN层505和InGaN/GaN多层结构504，它们以此顺序重复地堆叠在彼此的顶部上。以Mg来掺杂构成上DBR512的半导体层。通过上述步骤，形成具有95％的反射率的p型上DBR512。
在上DBR512上形成充当接触层的p型GaN层507。p型GaN层507的厚度被设置为10nm。
在p型GaN层507上形成充当用于供能的接触电极的p型Ni/Au电极508。在GaN基板501上形成充当用于供能的接触电极的n型Ti/Al电极509。
如上所述制备作为半导体发光器件的示例的示例2的RC-LED。由于示例2中所制备的下DBR511和上DBR512是以AlGaN、InGaN和GaN构成的，因此它们具有高导电性。因此，载流子可以有效率地从p型电极508和n型电极509注入到有源层506a中。
图8示出在形成示例2的RC-LED的多层期间所产生的使用公式(3)所计算出的累积应力。从图8可理解，示例2的RC-LED的累积应力被设计为在大于等于-500GPa·nm并且小于等于350GPa·nm的范围内。
示例3
在示例3中，描述VCSEL作为包括氮化物半导体DBR的半导体发光器件的示例。
图9是在示例3中所制备的VCSEL的示意性截面图。在示例3中，下DBR611和上DBR612被设置为跨过有源层606a彼此面对，并由此形成腔体。下DBR611和上DBR612被设计为使得对于具有400nm的波长的光实现99％或更高的反射率。
有源层606a由InGaN/GaN多量子阱构成，并且当载流子注入到有源层606a时发射光。
下DBR611和上DBR612均包括AlGaN/GaN多层结构603、InGaN/GaN多层结构604和相位匹配层605。
表4示出构成AlGaN/GaN多层结构603、InGaN/GaN多层结构604或相位匹配层605的每个层的折射率、与λ/4的光学厚度对应的厚度(对于相位匹配层605，与λ/2的光学厚度对应的厚度)、所设计的厚度、堆叠层的数量以及面内应力。
表4
以*标记的值表示与λ/2的光学厚度对应的相位匹配层的厚度。
在示例3中，InGaN层中的In含量被设置为5％，AlGaN层中的Al含量被设置为35％。
以下描述用于制备示例3中的VCSEL的方法。
在MOCVD***中放置GaN基板601。
如在示例1中那样，通过交替地堆叠十个InGaN/GaN多层结构604和十个AlGaN/GaN多层结构603来在GaN基板601上形成下DBR611，其中，充当相位匹配层的GaN层605均***在对应的一对InGaN/GaN多层结构604和AlGaN/GaN多层结构603之间。因此，下DBR611包括InGaN/GaN多层结构604、GaN层605和AlGaN/GaN多层结构603，它们以此顺序重复地堆叠在彼此的顶部上。以Si来掺杂构成下DBR611的半导体。通过上述步骤，制备具有99.5％或更高的反射率的n型下DBR611。
在1150℃在下DBR611上形成充当间隔物层的GaN层606b。在850℃在GaN层606b上堆叠由InGaN/GaN多量子阱构成的有源层606a，以使得GaN层位于有源层606a的最上表面处。在1150℃在有源层606a上形成充当间隔物层的GaN层606c。有源层606a和两个间隔物层的总光学厚度被设置为400nm。根据驻波的谐振峰值产生的位置来确定有源层606a的位置。有源层606a和两个间隔物层的总光学厚度不限于400nm并且可以是400nm的任何整数倍。
在GaN层606c上形成具有10nm厚度的AlN层610。通过光刻和干法蚀刻在AlN层610中形成具有10μm直径的孔。具有孔的AlN层610充当电流限制(confinement)层。在示例3中，由于AlN层610的厚度比孔的直径无比小，因此AlN层610将几乎不影响要在AlN层610上形成的层。
通过以与下DBR611中的顺序相反的顺序交替地堆叠八个AlGaN/GaN多层结构603和八个InGaN/GaN多层结构604来在GaN层606b上形成上DBR612，其中，充当相位匹配层的GaN层605均***在对应的一对AlGaN/GaN多层结构603和InGaN/GaN多层结构604之间。因此，上DBR612包括AlGaN/GaN多层结构603、GaN层605和InGaN/GaN多层结构604，它们以此顺序重复地堆叠在彼此的顶部上。以Mg来掺杂构成上DBR612的半导体层。通过上述步骤，制备具有99.3％的反射率的p型上DBR612。
在上DBR612上形成充当接触层的p型GaN层607。p型GaN层607的厚度被设置为10nm。
在p型GaN层607上形成充当用于供能的接触电极的具有孔的p型Ni/Au电极608。在GaN基板601上形成充当用于供能的接触电极的n型Ti/Al电极609。
通过上述步骤，制备了示例3的VCSEL。
由于示例3中所制备的下DBR611和上DBR612是以AlGaN、InGaN和GaN构成的，因此它们具有高导电性。因此，载流子可以有效率地从p型电极608和n型电极609注入到有源层606a中。
图10示出在形成示例3的VCSEL的多层期间所产生的使用公式(3)计算的累积应力。根据图10可理解，示例3的VCSEL的累积应力在-600至350GPa·nm的范围内。
示例4
以下参照图11来描述以包括由以阵列形式布置的在示例3中描述的VCSEL构成的表面发射激光器阵列的固态激光器，表面发射激光器阵列充当激发光源。图11是示出根据示例4的固态激光器的示意图。
根据示例4的固态激光器1100包括表面发射激光器阵列1110、固态激光器介质1130以及两个反射器1150a和1150b。
表面发射激光器阵列1110朝向固态激光器介质1130发射具有λ的波长的激发光1120。在吸收激发光1120时，固态激光器介质1130由于激光跃迁而发光1140。从固态激光器介质1130发射的光1140重复地受两个反射器1150a和1150b反射，并因此固态激光器进入振荡状态。因此，在振荡状态下的固态激光器1100发射已经透射通过反射器1150b的固态激光束1160。
优选地根据固态激光器介质1130的吸收谱来确定从表面发射激光器阵列1110发射的激发光1120的波长λ。换句话说，优选地根据固态激光器介质1130的吸收谱来确定表面发射激光器阵列1110中所使用的半导体DBR的峰值反射率产生的波长。更优选地，半导体DBR被设计为使得半导体DBR的峰值反射率产生在固态激光器介质1130的峰值吸收谱发生的波长的附近。例如，在变石(alexandrite)晶体用作固态激光器介质1130的情况下，可以通过将半导体DBR的峰值反射率发生的波长λ设置为400nm(其为接近变石晶体的峰值吸收谱的波长)来实现固态激光器的有效率的振荡。
根据示例4，对于固态激光器，可以采用任何固态激光器介质。
示例5
参照图12描述包括示例4中描述的固态激光器1100的光声装置。
根据示例5的光声装置包括固态激光器1100、光学***1200、探针1400、信号处理单元1500和显示单元1600。
固态激光器1100发射的光通过光学***1200转变为脉冲光1210，该脉冲光1210撞击分析物1000。由此，由于光声效应而在分析物1000内部生成光声波1020。探针1400检测传播通过分析物1000的光声波1020，并且接收时间序列电信号。基于该时间序列电信号，信号处理单元1500获得关于分析物的内部的信息，并且在显示单元1600上显示关于分析物的内部的信息。
在示例5中，固态激光器1100所发射的光的波长期望地设置为使得具有该波长的光可以传播到分析物1000的内部。具体地说，当分析物1000是活体时，合适的波长可以是大于等于500nm并且小于等于1200nm。为了确定位于活体的表面的相对附近的活体的组织的光学特征值的分布，例如，也可以使用具有在400至1600nm的范围(其比上述合适的波长的范围更宽)内的波长的光。
根据示例5的分析物信息的示例包括光声波的初始声压、光能量吸收密度、吸收因子以及构成分析物的物质的浓度。物质的浓度是例如氧饱和度、氧合血红蛋白浓度、还原血红蛋白浓度和总血红蛋白浓度。总血红蛋白浓度是氧合血红蛋白浓度与还原血红蛋白浓度之和。在示例5中，分析物信息可以不一定是数值数据，而可以是关于分析物的位置分布的信息。具体地说，分析物信息可以是分布信息，如关于吸收因子的分布或关于氧饱和度的分布的信息。
示例6
在图13A和图13B中，描述包括充当光源的表面发射激光器阵列的图像形成装置的示例，所述表面发射激光器阵列由以阵列的形式布置的在示例3中所描述的VCSEL构成。
图13A和图13B分别是根据示例6的图像形成装置的平面图和侧视图。
在图13A和图13B中，标号2000表示感光鼓(感光构件)，标号2002表示充电单元，标号2004表示显影单元，标号2006表示转印充电单元，标号2008表示定影单元，标号2010表示旋转多面镜，以及标号2012表示马达。
标号2014表示表面发射激光器阵列，标号2016表示反射器，标号2018表示准直透镜，以及标号2020表示f-θ透镜。
在示例6中，图13B所示的马达2012使得旋转多面镜旋转。
表面发射激光器阵列2014充当用于记录的光源。表面发射激光器阵列2014被配置为基于图像信号通过激光器驱动器(未示出)来发光。
因此，光调制激光束从表面发射激光器阵列2014朝向旋转多面镜2010通过准直透镜2018发射。
旋转多面镜2010在箭头的方向上旋转。从表面发射激光器阵列2014发射的激光束受旋转多面镜2010反射，并且由于旋转多面镜2010的旋转而转变为反射角在反射表面处连续改变的偏转光束。
反射光通过f-θ透镜2020在畸变像差等方面被校正，并且经由反射器2016入射到感光鼓2000上。在主扫描方向上以光来扫描感光鼓2000。由于受旋转多面镜2010的表面反射的光束的原因，由与表面发射激光器阵列2014对应的多个行形成的图像在感光鼓2000的主扫描方向上形成在感光鼓2000上。
已经由充电单元2002预先充电的感光鼓2000通过受激光束扫描而依次曝光，并由此形成静电潜像。
感光鼓2000在箭头的方向上旋转。使用显影单元2004来对静电潜像进行显影。使用转印充电单元2006将所得可见图像转印到转印纸张上。
在上面转印有可见图像的转印纸张被传送到定影单元2008，以将图像定影在转印纸张上，并然后被从图像形成装置排出。
在上述示例4、5和6中，描述了包括根据本发明实施例的表面发射激光器阵列的装置的示例。然而，表面发射激光器阵列可以应用到的装置的类型不限于上述装置。
根据本发明，可以提供包括具有良好晶体质量的层的半导体DBR。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围将要被赋予最宽泛的解释，以便包括所有这些修改以及等效的结构和功能。

Claims (20)

1.一种半导体分布式布拉格反射器，包括：
第一多层结构，包括：
多个第一半导体层，以及
一个或更多个第二半导体层，每个第二半导体层都***在所述多个第一半导体层中的对应一对第一半导体层之间；
第二多层结构，包括：
多个第三半导体层，以及
一个或更多个第二半导体层，每个第二半导体层都***在所述多个第三半导体层中的对应一对第三半导体层之间；以及
保护层，***在所述第一多层结构与所述第二多层结构之间，
其中，
所述第二半导体层具有比所述第一半导体层低的分解温度，
所述第三半导体层具有比所述第二半导体层低的分解温度，
所述半导体分布式布拉格反射器具有在波长λ处的峰值反射率，
所述多个第一半导体层、所述一个或更多个第二半导体层和所述多个第三半导体层中的每一层都具有nλ/4的光学厚度，其中n是大于等于1的奇数，
所述保护层具有mλ/2的光学厚度，其中m是大于等于1的自然数，以及
所述保护层的与第二多层结构形成接触的一部分包括具有比所述第三半导体层高的分解温度的材料。
2.如权利要求1所述的半导体分布式布拉格反射器，
其中，
所述第二半导体层具有比所述第一半导体层高的折射率，以及
所述第三半导体层具有比所述第二半导体层高的折射率。
3.如权利要求1所述的半导体分布式布拉格反射器，
其中，具有比所述第三半导体层高的分解温度的材料与构成所述第二半导体层的材料相同。
4.如权利要求1所述的半导体分布式布拉格反射器，
其中，构成所述保护层的材料与构成所述第二半导体层的材料相同。
5.如权利要求1所述的半导体分布式布拉格反射器，
其中，
所述第一半导体层包括AlGaN，
所述第二半导体层包括GaN，以及
所述第三半导体层包括InGaN。
6.如权利要求1所述的半导体分布式布拉格反射器，包括依次重复堆叠的第一多层结构、保护层、第二多层结构和保护层。
7.一种半导体分布式布拉格反射器，包括：
第一半导体层；
第二半导体层，具有比第一半导体层低的分解温度；以及
第三半导体层，具有比第二半导体层低的分解温度，
其中，
所述半导体分布式布拉格反射器的一部分具有这样的结构：第三半导体层、第二半导体层、第三半导体层、第二半导体层、第一半导体层、第二半导体层和第一半导体层依次堆叠，
在该结构中，***在所述第三半导体层之间的第二半导体层的厚度不同于***在所述第一半导体层与所述第三半导体层之间的第二半导体层的厚度，以及
在该结构中，***在所述第一半导体层之间的第二半导体层的厚度不同于***在所述第一半导体层与所述第三半导体层之间的第二半导体层的厚度。
8.如权利要求7所述的半导体分布式布拉格反射器，
其中，
***在所述第三半导体层之间的第二半导体层具有nλ/4的光学厚度，其中n是大于等于1的奇数，
***在所述第一半导体层之间的第二半导体层具有nλ/4的光学厚度，其中n是大于等于1的奇数，以及
***在所述第一半导体层与所述第三半导体层之间的第二半导体层具有mλ/2的光学厚度，其中m是大于等于1的自然数。
9.如权利要求8所述的半导体分布式布拉格反射器，
其中，所述第一半导体层和所述第三半导体层具有nλ/4的光学厚度，其中n是大于等于1的奇数。
10.如权利要求7所述的半导体分布式布拉格反射器，
其中，
所述第二半导体层具有比所述第一半导体层大的折射率，以及
所述第三半导体层具有比所述第二半导体层大的折射率。
11.如权利要求7所述的半导体分布式布拉格反射器，
其中，
所述第一半导体层包括AlGaN，
所述第二半导体层包括GaN，以及
所述第三半导体层包括InGaN。
12.一种发光器件，包括：
两个反射器；以及
有源层，在所述两个反射器之间，
其中，所述两个反射器中的至少一个是如权利要求1至11中的任一项所述的半导体分布式布拉格反射器。
13.一种固态激光器，包括：
如权利要求12所述的发光器件；以及
固态激光器介质，被从所述发光器件发射的光激发。
14.一种光声装置，包括：
如权利要求13所述的固态激光器；
探针，在检测到从用从所述固态激光器发射的光照射的分析物生成的光声波时输出电信号；以及
信号处理单元，基于所述电信号来获得关于分析物的内部的信息。
15.一种图像形成装置，包括：
如权利要求12所述的发光器件；以及
感光构件，暴露于从所述发光器件发射的光。
16.一种用于制造具有在波长λ处的峰值反射率的半导体分布式布拉格反射器的方法，所述半导体分布式布拉格反射器包括：
多个第一半导体层，
一个或更多个第二半导体层，具有比所述多个第一半导体层低的分解温度；以及
多个第三半导体层，具有比所述一个或更多个第二半导体层低的分解温度，
该方法包括以下步骤：
在等于或低于第二半导体层的分解温度并且高于第三半导体层的分解温度的温度形成第一多层结构，所述第一多层结构包括：
所述多个第一半导体层，以及
所述一个或更多个第二半导体层，每个第二半导体层都***在所述多个第一半导体层的对应一对第一半导体层之间；
在等于或低于所述第三半导体层的分解温度的温度形成第二多层结构，所述第二多层结构包括：
所述多个第三半导体层，以及
所述一个或更多个第二半导体层，每个第二半导体层都***在所述多个第三半导体层的对应一对第三半导体层之间；以及
在形成所述第二多层结构之后并且在形成所述第一多层结构之前，在等于或低于所述第三半导体层的分解温度的温度形成保护层，
其中，
所述多个第一半导体层、所述一个或更多个第二半导体层和所述多个第三半导体层中的每一层都具有nλ/4的光学厚度，其中n是大于等于1的奇数，
所述保护层具有mλ/2的光学厚度，其中m是大于等于1的自然数，以及
所述保护层的与所述第二多层结构形成接触的一部分包括具有比所述第三半导体层高的分解温度的材料。
17.如权利要求16所述的用于制造半导体分布式布拉格反射器的方法，
其中，所述具有比所述第三半导体层高的分解温度的材料与构成所述第二半导体层的材料相同。
18.如权利要求16所述的用于制造半导体分布式布拉格反射器的方法，
其中，在形成所述保护层的步骤中，在形成所述第二多层结构的温度形成所述保护层的一部分，并且随后，在形成所述第一多层结构的温度形成所述保护层的剩余部分。
19.如权利要求16所述的用于制造半导体分布式布拉格反射器的方法，
其中，
所述第一半导体层包括AlGaN，
所述第二半导体层包括GaN，以及
所述第三半导体层包括InGaN。
20.如权利要求19所述的用于制造半导体分布式布拉格反射器的方法，
其中，
在大于900℃并且小于等于1200℃的温度形成所述第一多层结构，以及
在大于等于800℃并且小于等于900℃的温度形成所述第二多层结构。
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