CN102593291A - 一种氮化物分布式布拉格反射镜及制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮化物分布布拉格反射镜及制备方法，该DBR采用AlxInyGal-x-yN/AluInvGal-u-vN四元结构。该DBR可通过调节Al、In和Ga的组分来实现晶格常数的调整或者抵消其它结构应力、调节DBR材料的折射率。由于有Ga和In的引入，生长速率也易于调节，可以比AlInN层用更高的温度生长，获得更高的晶体质量和界面平整程度。本发明的氮化物DBR用于制备含DBR的氮化镓基发光二极管。

Description

一种氮化物分布式布拉格反射镜及制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种氮化物分布式布拉格反射镜及其制备方法，本发明属于光电子领域。
背景技术
氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在高亮度蓝色发光二极管(LED)、蓝色半导体激光器(LD)以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。
在氮化物发光二极管的制备中，加入分布式布拉格反射镜(DBR)可以大幅度的提高器件的发光功率，同时具有高反射率的氮化物DBR也是制备垂直腔面发射激光器的关键技术。因此氮化物DBR的制备至关重要。目前在氮化物LED的常规生长结构中，很少使用DBR结构，原因在于常规的氮化物(如AlN，GaN等)之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，多周期重复生长后极易发生开裂，产生的位错密度也会很高，影响有源区的发光强度。另外，氮化物本身对生长条件要求比较苛刻，对于DBR中的两种材料有时候很难使用相同的生长条件。上述原因导致了在氮化物器件的外延一次生长中很难直接导入DBR结构，常规的做法是在外延后通过管芯工艺以介质膜(SiO2/TiO2)的形式引入DBR，但是这种做法增加了生产工序，也增加了生产成本。
对于一次生长引入DBR结构的方法，国内外也有一些专利文献。中国专利文献CN101478115A(CN200910110946.2)公开的氮化物分布布拉格反射镜(DBR)及其制备方法，所提供的氮化物DBR的制备方法是在氮化镓缓冲层上使用氮化铝和氮化镓交替生长的周期性结构来实现DBR功能，此方法目前在生长上存在很大困难，氮化铝和氮化镓之间的晶格失配使其较难达到DBR所需要的厚度和周期个数，DBR一般要求20周期以上，使用此方法生长DBR很容易导致外延层开裂。美国专利文献US2007/003697A1公开的“应用于光电器件的晶格匹配AlInN/GaN结构”(Lattice-Matched AlInN/GaN For Optoelectronicdevices)，提供了一种DBR结构，该方法使用AlInN和GaN交替生长作为DBR。但是AlInN层和GaN层的生长条件差异很大，AlInN的生长温度范围在700-900度，而GaN的生长温度范围在950-1150度。如果使用相同温度来生长AlInN和GaN，容易使DBR的晶体质量变差，界面不够平整，难以实现DBR的效果。
发明内容
本发明针对现有的氮化物DBR生长结构和方法的不足，提出了一种氮化物分布式布拉格反射镜和制备方法。
术语说明：
DBR，分布式布拉格反射镜的常规简称。
LED，发光二极管的简称。
本发明的技术方案如下：
一、氮化物分布式布拉格反射镜
一种氮化物分布式布拉格反射镜，包括在蓝宝石或碳化硅衬底上依次生长有成核层、缓冲层，所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一，所述缓冲层是非掺杂氮化镓层，其特征在于：在所述缓冲层上面生长AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN四元结构构成的分布式布拉格反射镜，其中，0＜x＜0.5，0＜y＜0.5，0＜u＜0.5，0＜v＜0.5，AlxInyGa1-x-yN层厚度为20-70nm，AluInvGa1-u-vN层厚度为30-80nm，重复周期数为15-50。
二、氮化物分布式布拉格反射镜的制备
本发明上述的氮化物分布式布拉格反射镜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蓝宝石或碳化硅衬底放入金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1150℃，处理5-15分钟。
(2)在处理过的蓝宝石或碳化硅衬底上生长氮化镓、氮化铝或者铝镓氮成核层。
(3)在上述成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层。
(4)在非掺杂氮化镓层上交替生长AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN四元结构构成的分布式布拉格反射镜，其中0＜x＜0.5，0＜y＜0.5，0＜u＜0.5，0＜v＜0.5；重复周期数为15-50；AlxInyGa1-x-yN层厚度为20-70nm，AluInvGa1-u-vN层厚度为30-80nm，各层的生长温度均为850-1000℃。
根据本发明，优选的上述步骤(2)中，氮化镓缓冲层生长温度400-600℃，厚度10-50nm；氮化铝和铝镓氮缓冲层，生长温度850-1150℃，厚度50-200nm。
根据本发明，优选的上述步骤(3)中，非掺杂氮化镓层生长温度为1000-1100℃，厚度为1-2μm。
三、氮化物分布式布拉格反射镜的应用
本发明上述的氮化物分布式布拉格反射镜的应用，用于制备含DBR的氮化镓基发光二极管。
一种含DBR的氮化镓基发光二极管，结构如下：
在本发明上述氮化物分布式布拉格反射镜上生长有掺硅的N型氮化镓层，N型氮化镓层厚度为3～4μm，硅掺杂浓度为3×1018/cm-3～5×1018/cm-3；
在N型氮化镓层上生有长多量子阱结构，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750～800℃，多量子阱生长周期为10；
在多量子阱结构上生长有掺镁的氮化镓层，厚度为250～300nm，镁掺杂浓度为1×1020/cm-3～2×1020/cm-3。
根据本发明，所述的各个生长层均为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长层。
本发明的优良效果是：
(1)本发明使用AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN结构的DBR，可通过调节Al、In和Ga的组分来实现晶格常数的调整。可以实现晶格匹配的DBR或者抵消其它结构应力的DBR。
(2)本发明AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN结构由于有Ga和In的引入，生长速率易于调节，可以比AlInN层用更高的温度生长，获得更高的晶体质量和界面平整程度。
(3)本发明通过调节Al、Ga和In的组分，可以调节DBR材料的折射率，以便于适应不同波长的光的反射或者制备复合DBR来收集其它方向上的光。
(4)本发明用于制备含DBR的氮化镓基发光二极管，其发光效率相比传统发光二极管提高了约30％。
附图说明
图1是本发明的DBR结构示意图，该图中的DBR生长在非掺杂氮化镓表面。
图2是应用本发明DBR结构的LED实施例结构示意图。
在图1-2中，1、衬底，2、成核层，3、非掺杂氮化镓层(缓冲层)，4、AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN四元结构构成的分布式布拉格反射镜，5、N型氮化镓，6、多量子阱结构，7、P型氮化镓。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1.
参考图1，以用金属有机物化学气相沉积法在碳化硅衬底上制备AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN结构DBR为例，具体包括以下步骤：
(1)碳化硅衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1050℃，处理15分钟。
(2)在碳化硅衬底1上生长氮化铝成核层2，生长温度为1000℃，厚度150nm，生长压力为50mbar。
(3)在氮化铝成核层2上生长非掺杂氮化镓层(缓冲层)3，生长温度为1100℃，生长厚度为2μm，生长速率为2μm/h。
(4)在非掺杂氮化镓缓冲层3上生长AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN四元结构构成的分布式布拉格反射镜(DBR结构)4，其中x＝0.3，y＝0.2，u＝0.4，v＝0.1。重复周期数为40。AlxInyGa1-x-yN和AluInvGa1-u-vN层厚度分别为40nm和60nm。该DBR的生长温度为1000℃。
实施例2.
参考图1，以用金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN结构DBR为例，具体包括以下步骤：
(1)蓝宝石衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000℃，处理12分钟。
(2)在蓝宝石衬底1上生长铝镓氮成核层2，生长温度为900℃，厚度120nm，生长压力为70mbar。
(3)在铝镓氮成核层2上生长非掺杂氮化镓层3(缓冲层)，生长温度为1100℃，生长厚度为2μm，生长速率为2μm/h。
(4)在非掺杂氮化镓缓冲层3上生长AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN四元结构构成的分布式布拉格反射镜4(DBR)，其中x＝0.3，y＝0.2，u＝0.4，v＝0.1。重复周期数为40。AlxInyGa1-x-yN和AluInvGa1-u-vN层厚度分别为40nm和60nm。该DBR的生长温度为1000℃。
实施例3.
参考图2，以蓝宝石衬底上制备含DBR的氮化镓基发光二极管为例，包括以下步骤：
(1)蓝宝石衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000℃，处理10分钟。
(2)在蓝宝石衬底1上生长氮化镓成核层2。生长温度为600℃，厚度50nm。生长压力为300mbar。
(3)在氮化镓成核层2上生长非掺杂氮化镓层3，生长温度为1050℃，生长厚度为1.5μm，生长速率为3μm/h。生长速率为3μm/h。
(4)在氮化镓缓冲层3上生长AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN四元结构构成的DBR 4，其中x＝0.3，y＝0.3，u＝0.2，v＝0.4。重复周期数为50。AlxInyGa1-x-yN和AluInvGa1-u-vN层厚度分别为50nm和70nm。该DBR的生长温度为900℃。
(5)在上述DBR结构4上生长掺硅的N型氮化镓层5，N型氮化镓层厚度为4um，生长温度为1000度，硅掺杂浓度为5×1018/cm-3。
(6)在N型氮化镓5上生长多量子阱结构6，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750℃，多量子阱生长周期为10。
(7)在多量子阱结构6上生长掺镁的氮化镓层，厚度为300nm，镁掺杂浓度为1×1020/cm-3。生长温度约1000℃。
该发光二极管发光效率相比传统发光二极管提高了约30％。

Claims (6)

1.一种氮化物分布式布拉格反射镜，包括在蓝宝石或碳化硅衬底上依次生长有成核层、缓冲层，所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一，所述缓冲层是非掺杂氮化镓层，其特征在于在所述缓冲层上面生长AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN四元结构构成的分布式布拉格反射镜，其中，0＜x＜0.5，0＜y＜0.5，0＜u＜0.5，0＜v＜0.5，AlxInyGa1-x-yN层厚度为20-70nm，AluInvGa1-u-vN层厚度为30-80nm，重复周期数为15-50。
2.权利要求1所述的氮化物分布式布拉格反射镜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蓝宝石或碳化硅衬底放入金属有机物化学气相沉积设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1150℃，处理5-15分钟；
(2)在处理过的蓝宝石或碳化硅衬底上生长氮化镓、氮化铝或者铝镓氮成核层；
(3)在上述成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层；
(4)在非掺杂氮化镓层上交替生长AlxInyGa1-x-yN/AluInvGa1-u-vN四元结构构成的分布式布拉格反射镜，其中0＜x＜0.5，0＜y＜0.5，0＜u＜0.5，0＜v＜0.5；重复周期数为15-50；AlxInyGa1-x-yN层厚度为20-70nm，AluInvGa1-u-vN层厚度为30-80nm，各层的生长温度均为850-1000℃。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中，氮化镓缓冲层生长温度400-600℃，厚度10-50nm；氮化铝和铝镓氮缓冲层，生长温度850-1150℃，厚度50-200nm。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中，非掺杂氮化镓层生长温度为1000-1100℃，厚度为1-2μm。
5.权利要求1所述的氮化物分布式布拉格反射镜的应用，用于制备含DBR的氮化镓基发光二极管。
6.一种含DBR的氮化镓基发光二极管，结构如下：
在权利要求1所述的氮化物分布式布拉格反射镜上生长有掺硅的N型氮化镓层，N型氮化镓层厚度为3～4μm，硅掺杂浓度为3×1018/cm-3～5×1018/cm-3；
在N型氮化镓层上生有长多量子阱结构，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750～800℃，多量子阱生长周期为10；
在多量子阱结构上生长有掺镁的氮化镓层，厚度为250～300nm，镁掺杂浓度为1×1020/cm-3～2×1020/cm-3。
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