專利名稱：氮化物分布布拉格反射鏡及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(jī)物化學(xué)氣相沉積 (MOCVD )制備氮化鎵(GaN )基微腔發(fā)光二極管(MCLED )和垂直腔面發(fā)射激光器(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(shù)。
背景技術(shù)：
由于在氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制備中，導(dǎo)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(fā)光功率和指向性。同時(shí)，具有高反 射率的氮化物DBR也是制備氮化物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(guān)鍵技術(shù)。因此，氮化物DBR的制備至關(guān)重要。近年來，由于在高功 率光顯示和高密度光存儲(chǔ)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，因此GaN基VCSEL的研究引起人們極大的 興趣并取得了一系列突出進(jìn)展。目前，用于GaN基VCSEL中的DBR主要有氮化物材料和介 質(zhì)材料。與某些介質(zhì)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(jié)構(gòu)，常需很多的周期數(shù)(25 60周期)。同時(shí)，由于氮化物DBR中兩種材料之間 通常有較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異(如AlN/GaN， AlGaN/GaN等)，DBR中存在大 量的應(yīng)力和因此造成的位錯(cuò)和裂紋，其光學(xué)質(zhì)量隨之下降，進(jìn)而使得其最大反射率和阻帶寬 度比理論結(jié)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后續(xù)外延器件結(jié)構(gòu)生長 的重要前提之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種高質(zhì)量和具有良好表面形貌的氮化物分布布拉格反射鏡及其制備方法。
本發(fā)明所述的氮化物分布布拉格反射鏡設(shè)有藍(lán)寶石襯底，在藍(lán)寶石C面襯底表面生長 GaN緩沖層，在GaN緩沖層上生長由GaN層和氮化鋁(AIN)層構(gòu)成的分布布拉格反射鏡 (DBR)，其中AlN或/和GaN中摻入銦(In)。
本發(fā)明所述的氮化物分布布拉格反射鏡的制備方法包括以下步驟
先對(duì)藍(lán)寶石C面襯底進(jìn)行熱處理，然后在H2氣氛下生長GaN成核層，再升溫至1025 1045°C，生長GaN緩沖層；再生長5 30nm的A1N緩沖厚，隨后升溫使A1N層重新結(jié)晶； 最后在N2氣氛下重復(fù)交替生長A1N層和GaN層制備DBR，其中A1N層和GaN層中的一種 或兩種在生長時(shí)摻入銦(In)。
對(duì)藍(lán)寶石C面襯底進(jìn)行熱處理的溫度可為1050 115(TC，熱處理的時(shí)間可為10 min。 GaN成核層的厚度最好為25nm， GaN緩沖層的厚度最好為1.2nm。再生長5 30nm的A1N 緩沖層的溫度最好為535'C。生長AlN層和GaN層過程中，摻入銦(In)的量按質(zhì)量百分比 小于A1N層或/和GaN層的10%。
本發(fā)明所述的制備方法克服了現(xiàn)有的制備方法所存在的困難，由于采用生長前先在高溫 下對(duì)襯底熱處理，然后在H2氣氛下生長低溫GaN成核層，再升高溫度生長GaN緩沖層，再 生長A1N層，隨后升溫使緩沖層重新結(jié)晶，最后在N2氣氛下重復(fù)交替生長A1N層和GaN層 制備DBR。其中在生長AlN層和GaN層的過程中摻入銦(In)，因此本發(fā)明所制備的氮化物分布布拉格反射鏡不僅質(zhì)量高，而且具有良好的表面形貌。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的氮化物DBR的結(jié)構(gòu)示意圖。其中DBR是生長在GaN表面。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例制備的氮化物DBR樣品Sl和S2的反射譜。在圖2中，橫坐標(biāo)為 波長(nm)，縱坐標(biāo)為反射率(％)。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例1 MCLED的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，以用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法在藍(lán)寶石C面襯底上制備由GaN 層和氮化鋁(A1N)層構(gòu)成的DBR為例。生長前先在1100 'C高溫下對(duì)襯底1熱處理10 min，然 后在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緩沖 層2。再生長約25nm的A1N層3，隨后升溫到103(TC使緩沖層重新結(jié)晶，最后在N2氣氛下 重復(fù)交替生長A1N層4和GaN層5制備DBR A，其中A1N層4和GaN層5中的一種或兩種 在生長時(shí)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(jù)中心波長設(shè)定。生長兩個(gè)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(yīng)的A1N層/GaN層DBR厚度分別設(shè)計(jì)為45.82/42.65 nm， 50.08/47.26 nm，周期數(shù)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(shí)施例1: MCLED相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，使用MOCVD在藍(lán)寶石C面襯底1 上沉積GaN緩沖層2，然后再淀積底部氮化物DBR結(jié)構(gòu)6，繼而生長總厚度為波長數(shù)倍(圖 中為3倍)的多層結(jié)構(gòu)(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(gè)部分)，再接著制備頂部反射鏡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(shí)施例2: VCSEL相應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，使用MOCVD在藍(lán)寶石C面襯底1上沉積 GaN緩沖層2，隨后沉積底部氮化物DBR結(jié)構(gòu)13，再生長總厚度為波長數(shù)倍(圖中為3倍) 的多層結(jié)構(gòu)(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)，最后淀積頂部DBR結(jié)構(gòu)17?？筛鶕?jù)需要選擇介質(zhì)膜或氮化物DBR。不 同于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(qiáng)度最大位置)，上下反射鏡的反射率要足夠大以滿足激光發(fā)射條件。
權(quán)利要求
1. 氮化物分布布拉格反射鏡，其特征在于設(shè)有藍(lán)寶石襯底，在藍(lán)寶石C面襯底表面生長GaN緩沖層，在GaN緩沖層上生長由GaN層和氮化鋁層構(gòu)成的分布布拉格反射鏡，其中AlN或/和GaN中摻入銦。
2. 如權(quán)利要求1所述的氮化物分布布拉格反射鏡的制備方法，其特征在于其具體步驟為先對(duì)藍(lán)寶石C面襯底進(jìn)行熱處理，然后在H2氣氛下生長GaN成核層，再升溫至1025 1045°C，生長GaN緩沖層；再生長5 30nrn的A1N緩沖層，隨后升溫使A1N層重新結(jié)晶；最后在N2氣氛下重復(fù)交替生長A1N層和GaN層制備DBR，其中A1N層和GaN層中的一種或兩種在生長時(shí)摻入銦。
3. 如權(quán)利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的制備方法，其特征在于對(duì)藍(lán)寶石C面襯底進(jìn)行熱處理的溫度為1050 1150°C。
4. 如權(quán)利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的制備方法，其特征在于熱處理的時(shí)間為10min。
5. 如權(quán)利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的制備方法，其特征在于GaN成核層的厚度為25nm。
6. 如權(quán)利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的制備方法，其特征在于GaN緩沖層的厚度為1.2pm。
7. 如權(quán)利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的制備方法，其特征在于再生長5 30nm的A1N緩沖層的溫度為535°C 。
8. 如權(quán)利要求2所述的氮化物分布布拉格反射鏡的制備方法，其特征在于摻入銦的量按質(zhì)量百分比小于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制備方法，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(jī)物化學(xué)氣相沉積制備氮化鎵基微腔發(fā)光二極管和垂直腔面發(fā)射激光器中氮化物DBR的技術(shù)。提供一種高質(zhì)量和具有良好表面形貌的氮化物分布布拉格反射鏡及其制備方法。氮化物DBR設(shè)襯底，在襯底上生長GaN緩沖層，再生長由GaN層和AlN層構(gòu)成的DBR，AlN或/和GaN中摻入銦。先對(duì)藍(lán)寶石C面襯底進(jìn)行熱處理，然后在H₂氣氛下生長GaN成核層，升溫生長GaN緩沖層；再生長AlN緩沖層，隨后升溫使AlN層重新結(jié)晶；最后在N₂氣氛下重復(fù)交替生長AlN層和GaN層制備DBR，其中AlN層和GaN層中的一種或兩種在生長時(shí)摻入銦。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101478115SQ20091011094
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者尚景智, 張保平 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)