CN103400912B - 日盲紫外dbr及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AlInGaN三层周期结构的日盲紫外DBR，其结构从下至上依次为：蓝宝石衬底、厚度为d₁的Al_0.5Ga_0.5N模板层、DBR周期层，所述DBR周期层中包含n个周期，每个周期从下至上由厚度为d₂的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层、厚度为d₃的Al_x3In_1-x3N层和厚度为d₄的Al_x4Ga_1-x4N层组成。本发明中In组分的加入可以减小各层之间的晶格失配度，同时，组分渐变层有利于AlInN层的外延生长，Al_0.5Ga_0.5N模板层的应用也有利于组分渐变层的外延生长，解决由于晶格失配累积的应变所导致的缺陷或者开裂问题。

Description

日盲紫外DBR及其制备方法

技术领域

本发明专利涉及光电子器件领域，具体涉及一种基于AlInGaN三层周期结构的日盲紫外DBR及其制备方法。

背景技术

布拉格反射镜(DBR)是微腔器件重要的组成部分，在垂直腔表面发射激光器、共振腔发光二极管和共振腔增强型探测器等光电子器件领域有重要作用。可用于高反射区落在可见光到红外波段范围的DBR结构材料很多，如GaAs基、InP基、InAs基材料，SiO2/SiN介质材料，有机化合物材料等，这些波段范围的DBR已得到广泛应用。最近，宽带隙的III族氮化物材料得到了快速发展，紫外、蓝光、绿光的光发射二极管和蓝光、绿光激光器都已研制出来并得到商业化，这使得高反射区落在蓝绿光和近紫外波段的AlGaN/GaN DBR或AlInN/GaN DBR得到了广泛研究和部分应用。而高反射区落在日盲紫外区的DBR结构由于材料制备困难还少有研究，譬如高反射区落在260-280nm的DBR结构，要避开高反射区的光吸收，就需要同时采用两种Al组分至少大于0.5的AlGaN合金，并且要使这两种合金折射率的差值尽量大，而要使折射率差值大意味着组成DBR结构的两种AlGaN合金的Al组分差别应尽量大，但是Al组分差别越大，两种材料之间的晶格失配也就越大，即使是单层高Al组分AlGaN合金已经很难制备，需要采用晶格失配的两种高Al组分AlGaN材料得到高晶体质量和平坦陡峭界面的DBR周期结构则更难。

在AlN或AlGaN中掺入适当组分的In元素虽然可以解决上述两层AlGaN之间晶格失配问题，但随着掺入In组分的增加，AlInN与AlGaN之间生长温度差异越来越大，会导致AlInN合金的相分离和In组分的不均匀，而且当AlInN生长在AlGaN上时，实际生长时容易出现组分过渡层，很难保证平坦而陡峭的界面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以获得高反射区落在日盲紫外波段的DBR结构及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种日盲紫外DBR，其结构从下至上依次为：蓝宝石衬底、厚度为d₁的Al_0.5Ga_0.5N模板层、DBR周期层，所述DBR周期层中包含n个周期，每个周期从下至上由厚度为d₂的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层、厚度为d₃的Al_x3In_1-x3N层和厚度为d₄的Al_x4Ga_1-x4N层组成。

进一步的，所述厚度为d₂的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层作为DBR的第一个λ/4层，厚度为d₃的Al_x3In_1-x3N层和厚度为d₄的Al_x4Ga_1-x4N层一起构成DBR的第二个λ/4层，所述λ为日盲区波长，其取值为240～280nm，所述厚度d₂、d₃、d₄同时满足条件n₂d₂=λ/4和n₃d₃+n₄d₄=λ/4，其中n₂为Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层的折射率，n₃为Al_x3In_1-x3N层的折射率，n₄为Al_x4Ga_1-x4N层的折射率。

进一步的，所述组分x1满足0.7≤x1≤0.8，x2满足0.8≤x2≤0.9，x3满足0.95≤x3≤0.98，x4满足0.5≤x4≤0.6，y1满足0.01≤y1≤0.05，y2满足0.01≤y2≤0.05。

进一步的，所述周期层数n为10～50。

进一步的，所述Al_0.5Ga_0.5N层厚度d₁为500～900nm。

本发明还提供了上述日盲紫外DBR的制备方法，其步骤包括：

(1)利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上淀积一层Al_0.5Ga_0.5N薄膜作为DBR结构的生长模板；

(2)淀积一层Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层作为DBR的第一个λ/4层；

(3)在Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N上生长Al_x3In_1-x3N层和Al_x4Ga_1-x4N层一起构成DBR的第二个λ/4层，第二个λ/4层和第一个λ/4层构成DBR的一个完整周期；

(4)再在DBR的第一个周期上继续淀积剩下的n-1个周期，组成一个n个周期的DBR结构。

进一步的，其步骤包括：

(1)利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上淀积900nm厚的Al_0.5Ga_0.5N薄膜作为DBR结构的生长模板；

(2)淀积一层29nm厚的Al_0.74In_0.01Ga_0.25N-Al_0.84In_0.01Ga_0.15N组分渐变层作为DBR的第一个λ/4层，对应波长λ=274nm；

(3)在Al_0.84In_0.01Ga_0.15N上生长11nm的Al_0.98In_0.02N层和16nm的Al_0.5Ga_0.5N层一起构成DBR的第二个λ/4层，第二个λ/4层和第一个λ/4层构成DBR的一个完整周期；

(4)再在DBR的第一个周期上继续淀积剩下的n-1个周期，组成一个n个周期的DBR结构。

本发明的每一个DBR周期结构由特定的AlInGaN/AlInN/AlGaN三层结构组成，其中少量In组分的加入可以减小Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层与Al_0.5Ga_0.5N模板之间、Al_x3In_1-x3N层和Al_x4Ga_1-x4N层之间的晶格失配度，同时，组分渐变层有利于AlInN层的外延生长，Al_0.5Ga_0.5N模板层的应用也有利于Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层的外延生长，解决由于晶格失配累积的应变所导致的缺陷或者开裂问题。本发明中AlInGaN/AlInN/AlGaN三层结构中每一层的具体厚度与组分是根据设计的目标波长通过传输矩阵方法计算得到，该传输矩阵表达如下：

$\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]=\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\δ}}_r\right)& \frac{i\·\sin \left({\mathrm{\δ}}_r\right)}{n_r}\\ i\·n_r\·\sin \left({\mathrm{\δ}}_r\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_r\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ n_{\mathrm{sub}}\end{array}\right]$

${\mathrm{\δ}}_r=2\mathrm{\π}{n}_r\frac{d_r}{\mathrm{\λ}},$ $d_r=\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{4\·n_r}$

式中n_sub和n_r分别表示衬底和反射层的反射系数，d_r对应周期结构的厚度，λ_d对应反射的中心波长。根据传输矩阵方法可得到所述组分x1满足0.7≤x1≤0.8，x2满足0.8≤x2≤0.9，x3满足0.95≤x3≤0.98，x4满足0.5≤x4≤0.6，y1满足0.01≤y1≤0.05，y2满足0.01≤y2≤0.05，所述厚度d₂满足25.4nm≤d₂≤29.5nm，d₃满足9.6nm≤d₃≤11.2nm，d₄满足14nm≤d₄≤16.3nm，对应的反射波长λ满足240nm≤λ≤280nm。

附图说明

图1为本发明的日盲紫外DBR的结构示意图。

图2为实施例1中生长得到的日盲紫外DBR样品的扫描电镜照片图。

图3为实施例1中日盲紫外DBR结构模拟计算的反射谱。

图4为实施例1中日盲紫外DBR样品实测反射谱。

图5为实施例2中日盲紫外DBR结构模拟计算的反射谱。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式

实施例1

本日盲紫外DBR的制备方法，其步骤为：

(1)利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上淀积900nm厚的Al_0.5Ga_0.5N薄膜作为DBR结构的生长模板；

(2)淀积一层29nm厚的Al_0.74In_0.01Ga_0.25N-Al_0.84In_0.01Ga_0.15N组分渐变层作为DBR的第一个λ/4层，λ=274nm；

(3)在Al_0.84In_0.01Ga_0.15N上生长11nm的Al_0.98In_0.02N层和16nm的Al_0.5Ga_0.5N层一起构成DBR的第二个λ/4层，第二个λ/4层和第一个λ/4层构成DBR的一个完整周期；

(4)再在DBR的第一个周期上继续淀积剩下的19个周期，组成一个20周期的DBR结构。

本实施例生长得到的基于AlInGaN/AlInN/AlGaN三层20周期结构的日盲紫外DBR样品的扫描电镜照片见图2。本实施例DBR结构反射谱的模拟计算结果如图3所示，中心波长274nm处的反射率为94.4％；实验测量本实施例生长得到的基于AlInGaN/AlInN/AlGaN三层20周期结构的日盲紫外DBR样品的结果如图4所示，中心波长274nm处的反射率为85.4％。

实施例2

本实施例步骤与对比例1基本一致，其区别在于：DBR结构的周期数为38。

本实施例DBR结构反射谱的模拟计算结果如图5所示，中心波长274nm处的反射率为99％；

实施例3

本实施例步骤与对比例1基本一致，其区别在于：DBR结构的周期数为10，Al_0.5Ga_0.5N层厚度d₁为500nm。

实施例4

本实施例步骤与对比例1基本一致，其区别在于：DBR结构的周期数为50，Al_0.5Ga_0.5N层厚度d₁为700nm。

实施例5

本实施例步骤与对比例1基本一致，其区别在于：组分x1＝0.7，x2=0.8，x3=0.95，x4=0.55，y1=0.02，y2=0.02。λ=280nm，对应的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层厚度为29.5nm，Al_x3In_1-x3N层的厚度为11.2nm，Al_x4Ga_1-x4N层的厚度为16.3nm，对应波长λ取值为280nm。

实施例6

本实施例步骤与对比例1基本一致，其区别在于：组分x1＝0.8，x2=0.9，x3=0.96，x4=0.6，y1=0.05，y2=0.05。λ=240nm，对应的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层厚度为25.4nm，Al_x3In_1-x3N层的厚度为9.6nm，Al_x4Ga_1-x4N层的厚度为14nm，对应波长λ取值为240nm。

Claims (5)

1.一种日盲紫外DBR，其结构从下至上依次为：蓝宝石衬底、厚度为d₁的Al_0.5Ga_0.5N模板层、DBR周期层，所述DBR周期层中包含n个周期，每个周期从下至上由厚度为d₂的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层、厚度为d₃的Al_x3In_1-x3N层和厚度为d₄的Al_x4Ga_1-x4N层组成，DBR周期层中每一层的具体厚度与组分是根据设计的目标波长通过传输矩阵方法计算得到，该传输矩阵表达如下：

$\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]=\underset{r=1}{\overset{q}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\δ}}_r\right)& \frac{i\·\sin \left({\mathrm{\δ}}_r\right)}{n_r}\\ i\·n_r\·\sin \left({\mathrm{\δ}}_r\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_r\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ n_{\mathrm{sub}}\end{array}\right]$

${\mathrm{\δ}}_r=2{\mathrm{\πn}}_r\frac{d_r}{\mathrm{\λ}},d_r=\frac{{\mathrm{\λ}}_d}{4\·n_r}$

式中n_sub和n_r分别表示衬底和反射层的反射系数，d_r对应周期结构的厚度，λ_d对应反射的中心波长；所述厚度为d₂的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层作为DBR的第一个λ/4层，厚度为d₃的Al_x3In_1-x3N层和厚度为d₄的Al_x4Ga_1-x4N层一起构成DBR的第二个λ/4层，所述λ为日盲区波长，其取值为240～280nm，所述厚度d₂、d₃、d₄同时满足条件n₂d₂＝λ/4和n₃d₃+n₄d₄＝λ/4，其中n₂为Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层的折射率，n₃为Al_x3In_1-x3N层的折射率，n₄为Al_x4Ga_1-x4N层的折射率；所述组分x1满足0.7≤x1≤0.8，x2满足0.8≤x2≤0.9，x3满足0.95≤x3≤0.98，x4满足0.5≤x4≤0.6，y1满足0.01≤y1≤0.05，y2满足0.01≤y2≤0.05。

2.根据权利要求1所述的日盲紫外DBR，其特征在于：所述周期层数n为10～50。

3.根据权利要求2所述的日盲紫外DBR，其特征在于：所述Al_0.5Ga_0.5N层厚度d₁为500～900nm。

4.权利要求1-3中任一项所述的日盲紫外DBR的制备方法，其步骤包括：

(1)利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上淀积一层Al_0.5Ga_0.5N薄膜作为DBR结构的生长模板；

(2)淀积一层Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N-Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N组分渐变层作为DBR的第一个λ/4层；

(3)在Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N上生长Al_x3In_1-x3N层和Al_x4Ga_1-x4N层一起构成DBR的第二个λ/4层，第二个λ/4层和第一个λ/4层构成DBR的一个完整周期；

(4)再在DBR的第一个周期上继续淀积剩下的n-1个周期，组成一个n个周期的DBR结构。

5.根据权利要求4所述的日盲紫外DBR的制备方法，其特征在于：其步骤包括：

(1)利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上淀积900nm厚的Al_0.5Ga_0.5N薄膜作为DBR结构的生长模板；

(2)淀积一层29nm厚的Al_0.74In_0.01Ga_0.25N-Al_0.84In_0.01Ga_0.15N组分渐变层作为DBR的第一个λ/4层，对应波长λ＝274nm；

(3)在Al_0.84In_0.01Ga_0.15N上生长11nm的Al_0.98In_0.02N层和16nm的Al_0.5Ga_0.5N层一起构成DBR的第二个λ/4层，第二个λ/4层和第一个λ/4层构成DBR的一个完整周期；

(4)再在DBR的第一个周期上继续淀积剩下的n-1个周期，组成一个n个周期的DBR结构。