專利名稱：一種氮化物分布式布拉格反射鏡及制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化物分布式布拉格反射鏡及其制備方法，本發(fā)明屬于光電子領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點，因此在高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、藍(lán)色半導(dǎo)體激光器(LD)以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子電力器件中有著廣泛的實際應(yīng)用和巨大的市場前景。在氮化物發(fā)光二極管的制備中，加入分布式布拉格反射鏡(DBR)可以大幅度的提高器件的發(fā)光功率，同時具有高反射率的氮化物DBR也是制備垂直腔面發(fā)射激光器的關(guān)鍵技術(shù)。因此氮化物DBR的制備至關(guān)重要。目前在氮化物L(fēng)ED的常規(guī)生長結(jié)構(gòu)中，很少使用DBR結(jié)構(gòu)，原因在于常規(guī)的氮化物(如A1N，GaN等)之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，多周期重復(fù)生長后極易發(fā)生開裂，產(chǎn)生的位錯密度也會很高，影響有源區(qū)的發(fā)光強度。另外，氮化物本身對生長條件要求比較苛刻，對于DBR中的兩種材料有時候很難使用相同的生長條件。上述原因?qū)е铝嗽诘锲骷耐庋右淮紊L中很難直接導(dǎo)入DBR結(jié)構(gòu)，常規(guī)的做法是在外延后通過管芯工藝以介質(zhì)膜(Si02/Ti02)的形式引入DBR，但是這種做法增加了生產(chǎn)工序，也增加了生產(chǎn)成本。對于一次生長引入DBR結(jié)構(gòu)的方法，國內(nèi)外也有一些專利文獻(xiàn)。中國專利文獻(xiàn)CN101478115A(CN200910110946. 2)公開的氮化物分布布拉格反射鏡(DBR)及其制備方法，所提供的氮化物DBR的制備方法是在氮化鎵緩沖層上使用氮化鋁和氮化鎵交替生長的周期性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)DBR功能，此方法目前在生長上存在很大困難，氮化鋁和氮化鎵之間的晶格失配使其較難達(dá)到DBR所需要的厚度和周期個數(shù)，DBR 一般要求20周期以上，使用此方法生長DBR很容易導(dǎo)致外延層開裂。美國專利文獻(xiàn)US2007/003697A1公開的“應(yīng)用于光電器件的晶格匹配 AUnN/GaN 結(jié)構(gòu)”(Lattice-Matched AlInN/GaN For Optoelectronicdevices)，提供了一種DBR結(jié)構(gòu)，該方法使用Al InN和GaN交替生長作為DBR。但是AUnN層和GaN層的生長條件差異很大，AlInN的生長溫度范圍在700-900度，而GaN的生長溫度范圍在950-1150度。如果使用相同溫度來生長AlInN和GaN，容易使DBR的晶體質(zhì)量變差，界面不夠平整，難以實現(xiàn)DBR的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有的氮化物DBR生長結(jié)構(gòu)和方法的不足，提出了一種氮化物分布式布拉格反射鏡和制備方法。術(shù)語說明DBR,分布式布拉格反射鏡的常規(guī)簡稱。LED，發(fā)光二極管的簡稱。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一、氮化物分布式布拉格反射鏡一種氮化物分布式布拉格反射鏡，包括在藍(lán)寶石或碳化硅襯底上依次生長有成核層、緩沖層，所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一，所述緩沖層是非摻雜氮化鎵層，其特征在于在所述緩沖層上面生長AlJr^GiinN/AUnYGhtYN四元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡,其中，0<x<0. 5，0<y<0. 5，0<u<0. 5，0<v<0. 5,AlxInyGa1^yN層厚度為20-70nm，Al JnvGai_u_vN層厚度為30-80nm，重復(fù)周期數(shù)為15-50。二、氮化物分布式布拉格反射鏡的制備本發(fā)明上述的氮化物分布式布拉格反射鏡的制備方法，包括以下步驟(1)將藍(lán)寶石或碳化硅襯底放入金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到1000-1150°C，處理5-15分鐘。(2)在處理過的藍(lán)寶石或碳化硅襯底上生長氮化鎵、氮化鋁或者鋁鎵氮成核層。(3)在上述成核層上生長非摻雜氮化鎵緩沖層。(4)在非摻雜氮化鎵層上交替生長AlJr^GiimN/AlJnvGhtvN四元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡，其中0<x<0. 5，0<y<0. 5，0<u<0. 5，0<v<0. 5 ；重復(fù)周期數(shù)為15-50 ；AlxIny(iai_x_yN層厚度為20-70nm，Al^η^ει^Ν層厚度為30_80歷，各層的生長溫度均為850-1000°C。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的上述步驟O)中，氮化鎵緩沖層生長溫度400-600°C，厚度10-50nm ；氮化鋁和鋁鎵氮緩沖層，生長溫度850-1150°C，厚度50_200nm。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的上述步驟(3)中，非摻雜氮化鎵層生長溫度為1000-110(TC，厚度為1-2 μ m。三、氮化物分布式布拉格反射鏡的應(yīng)用本發(fā)明上述的氮化物分布式布拉格反射鏡的應(yīng)用，用于制備含DBR的氮化鎵基發(fā)
光二極管。一種含DBR的氮化鎵基發(fā)光二極管，結(jié)構(gòu)如下在本發(fā)明上述氮化物分布式布拉格反射鏡上生長有摻硅的N型氮化鎵層，N型氮化鎵層厚度為3 4 μ m，硅摻雜濃度為3 X IO1Vcm"3 5 X 1018/CnT3 ；在N型氮化鎵層上生有長多量子阱結(jié)構(gòu)，其中，阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，生長溫度為750 800°C，多量子阱生長周期為10 ；在多量子阱結(jié)構(gòu)上生長有摻鎂的氮化鎵層，厚度為250 300nm，鎂摻雜濃度為1 X IO2Vcm"3 2 X IO2cVcnT3。根據(jù)本發(fā)明，所述的各個生長層均為金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延生長層。本發(fā)明的優(yōu)良效果是(1)本發(fā)明使用Al^ηΑει^Ν/ΑΜη^ει^Ν結(jié)構(gòu)的DBR，可通過調(diào)節(jié)Al、In和fei的組分來實現(xiàn)晶格常數(shù)的調(diào)整。可以實現(xiàn)晶格匹配的DBR或者抵消其它結(jié)構(gòu)應(yīng)力的DBR。(2)本發(fā)明AlJr^GiinN/AUnvGhtvN結(jié)構(gòu)由于有( 和h的引入，生長速率易于調(diào)節(jié)，可以比AlInN層用更高的溫度生長，獲得更高的晶體質(zhì)量和界面平整程度。(3)本發(fā)明通過調(diào)節(jié)Al、Ga和h的組分，可以調(diào)節(jié)DBR材料的折射率，以便于適應(yīng)不同波長的光的反射或者制備復(fù)合DBR來收集其它方向上的光。
(4)本發(fā)明用于制備含DBR的氮化鎵基發(fā)光二極管，其發(fā)光效率相比傳統(tǒng)發(fā)光二極管提高了約30%。


圖1是本發(fā)明的DBR結(jié)構(gòu)示意圖，該圖中的DBR生長在非摻雜氮化鎵表面。圖2是應(yīng)用本發(fā)明DBR結(jié)構(gòu)的LED實施例結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1-2中，1、襯底，2、成核層，3、非摻雜氮化鎵層(緩沖層)，4、Al^ι^ ^Ν/AluInvGa1^vN四元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡，5、Ν型氮化鎵，6、多量子阱結(jié)構(gòu)，7、Ρ型氮化鎵。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實施例1.參考圖1，以用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法在碳化硅襯底上制備AlJnyGai_x_yN/AluInvGa1^vN結(jié)構(gòu)DBR為例，具體包括以下步驟(1)碳化硅襯底1放入金屬有機物化學(xué)氣相沉積爐(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到1050°C，處理15分鐘。(2)在碳化硅襯底1上生長氮化鋁成核層2，生長溫度為1000°C，厚度150nm，生長壓力為50mbar。(3)在氮化鋁成核層2上生長非摻雜氮化鎵層(緩沖層)3，生長溫度為1100°C，生長厚度為2 μ m,生長速率為2 μ m/h。(4)在非摻雜氮化鎵緩沖層3上生長AlJrvGh^N/AlJi^GiimN四元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡(DBR結(jié)構(gòu))4，其中χ = 0. 3，y = 0. 2，u = 0. 4，ν = 0. 1。重復(fù)周期數(shù)為40。AlxInyGa1^yN和Al JnvGhtvN層厚度分別為40nm和60nm。該DBR的生長溫度為1000°C。實施例2.參考圖1，以用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法在藍(lán)寶石襯底上制備AlJnyGai_x_yN/AluInvGa1^vN結(jié)構(gòu)DBR為例，具體包括以下步驟(1)藍(lán)寶石襯底1放入金屬有機物化學(xué)氣相沉積爐(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到1000°c，處理12分鐘。(2)在藍(lán)寶石襯底1上生長鋁鎵氮成核層2，生長溫度為900°C，厚度120nm，生長壓力為70mbar。(3)在鋁鎵氮成核層2上生長非摻雜氮化鎵層3 (緩沖層)，生長溫度為1100°C，生長厚度為2 μ m,生長速率為2 μ m/h。(4)在非摻雜氮化鎵緩沖層3上生長AlJrvGh^N/AlJi^GiimN四元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡4 (DBR)，其中χ = 0. 3，y = 0. 2，u = 0. 4，v = 0. 1。重復(fù)周期數(shù)為40。AlxInyGa1^yN和Al JnvGhtvN層厚度分別為40nm和60nm。該DBR的生長溫度為1000°C。實施例3.參考圖2，以藍(lán)寶石襯底上制備含DBR的氮化鎵基發(fā)光二極管為例，包括以下步驟(1)藍(lán)寶石襯底1放入金屬有機物化學(xué)氣相沉積爐(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到1000°c，處理10分鐘。(2)在藍(lán)寶石襯底1上生長氮化鎵成核層2。生長溫度為600°C，厚度50nm。生長壓力為300mbar。(3)在氮化鎵成核層2上生長非摻雜氮化鎵層3，生長溫度為1050°C，生長厚度為1. 5μπι，生長速率為3ym/h。生長速率為3ym/h。(4)在氮化鎵緩沖層3上生長AlxIny(iai_x_yN/Al JnvGhtvN四元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的DBR 4，其中 χ = 0. 3，y = 0. 3，u = 0. 2，v = 0. 4。重復(fù)周期數(shù)為 50。Al JnyGEi1TyN 和 ΑΙ^ηΑει^Ν層厚度分別為50nm和70nm。該DBR的生長溫度為900°C。(5)在上述DBR結(jié)構(gòu)4上生長摻硅的N型氮化鎵層5，N型氮化鎵層厚度為4um，生長溫度為1000度，硅摻雜濃度為5X 1018/Cm-3。(6)在N型氮化鎵5上生長多量子阱結(jié)構(gòu)6，其中，阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，生長溫度為750°C，多量子阱生長周期為10。(7)在多量子阱結(jié)構(gòu)6上生長摻鎂的氮化鎵層，厚度為300nm，鎂摻雜濃度為1 X IO2Vcm^30 生長溫度約 IOOO0C。該發(fā)光二極管發(fā)光效率相比傳統(tǒng)發(fā)光二極管提高了約30%。
權(quán)利要求
1.一種氮化物分布式布拉格反射鏡，包括在藍(lán)寶石或碳化硅襯底上依次生長有成核層、緩沖層，所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一，所述緩沖層是非摻雜氮化鎵層，其特征在于在所述緩沖層上面生長AlJrvGamN/AlJnYGhtyN四元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡,其中,0 < χ < 0. 5,0 < y < 0. 5,0 < u < 0. 5,0 < ν < 0. 5,AlxInyGa1^yN層厚度為20-70nm，Al JnvGai_u_vN層厚度為30-80nm，重復(fù)周期數(shù)為15-50。
2.權(quán)利要求1所述的氮化物分布式布拉格反射鏡的制備方法，包括以下步驟(1)將藍(lán)寶石或碳化硅襯底放入金屬有機物化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到1000-1150°C，處理5-15分鐘；(2)在處理過的藍(lán)寶石或碳化硅襯底上生長氮化鎵、氮化鋁或者鋁鎵氮成核層；(3)在上述成核層上生長非摻雜氮化鎵緩沖層；(4)在非摻雜氮化鎵層上交替生長AlJr^GiimN/AlJnYGhtYN四元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的分布式布拉格反射鏡，其中0<x<0. 5，0<y<0. 5，0<u<0. 5，0<v<0. 5 ；重復(fù)周期數(shù)為15-50 ；AlJnyGai_x_yN層厚度為20_70歷，ΑΜηΑει^Ν層厚度為30_80歷，各層的生長溫度均為 850-1000°C。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟O)中，氮化鎵緩沖層生長溫度400-600°C，厚度10-50nm ；氮化鋁和鋁鎵氮緩沖層，生長溫度850-1150°C，厚度50_200nm。
4.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟C3)中，非摻雜氮化鎵層生長溫度為1000-1100°C，厚度為 1-2 μ m。
5.權(quán)利要求1所述的氮化物分布式布拉格反射鏡的應(yīng)用，用于制備含DBR的氮化鎵基發(fā)光二極管。
6.一種含DBR的氮化鎵基發(fā)光二極管，結(jié)構(gòu)如下在權(quán)利要求1所述的氮化物分布式布拉格反射鏡上生長有摻硅的N型氮化鎵層，N型氮化鎵層厚度為3 4 μ m，硅摻雜濃度為3 X IO1Vcm"3 5 X 1018/CnT3 ；在N型氮化鎵層上生有長多量子阱結(jié)構(gòu)，其中，阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，生長溫度為750 800°C，多量子阱生長周期為10 ；在多量子阱結(jié)構(gòu)上生長有摻鎂的氮化鎵層，厚度為250 300nm，鎂摻雜濃度為1 X IO2Vcm"3 2X102CI/cm_3。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氮化物分布布拉格反射鏡及制備方法，該DBR采用AlxInyGal-x-yN/AluInvGal-u-vN四元結(jié)構(gòu)。該DBR可通過調(diào)節(jié)Al、In和Ga的組分來實現(xiàn)晶格常數(shù)的調(diào)整或者抵消其它結(jié)構(gòu)應(yīng)力、調(diào)節(jié)DBR材料的折射率。由于有Ga和In的引入，生長速率也易于調(diào)節(jié)，可以比AlInN層用更高的溫度生長，獲得更高的晶體質(zhì)量和界面平整程度。本發(fā)明的氮化物DBR用于制備含DBR的氮化鎵基發(fā)光二極管。
文檔編號H01L33/10GK102593291SQ20111000244
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者徐現(xiàn)剛, 曲爽, 李樹強, 李毓鋒, 王成新 申請人:山東華光光電子有限公司