CN106848016A - GaN基多孔DBR的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN基多孔DBR的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在一衬底上依次生长缓冲层、n型GaN导电层、交替堆叠的n型高掺杂层和非掺杂层，该交替堆叠的n型高掺杂层和非掺杂层构成多周期的氮化物外延结构；步骤2：在氮化物外延结构的上表面沉积绝缘介质层；步骤3：通过光刻、腐蚀在绝缘介质层的上表面的一侧形成电极窗口，同时在电极窗口以外区域形成凹槽；步骤4：采用干法刻蚀技术向下刻蚀电极窗口形成电极台面，同时向下刻蚀凹槽以暴露氮化物外延结构的侧壁形成腐蚀凹槽；步骤5：对暴露侧壁的氮化物外延结构进行电化学腐蚀，形成周期性的多孔DBR；步骤6：利用湿法腐蚀去除绝缘介质层，完成制备。
Description
技术领域
本发明属于氮化物光电子器件制造技术领域，具体涉及一种GaN基多孔DBR的制备方法。
背景技术
在氮化物光电子器件制造技术领域，高反射性GaN基DBR(Distributed BraggReflector，分布布拉格反射镜)在高亮度LED、谐振腔增强LED(RCLED)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)及探测器方面展现出巨大的应用前景和市场需求。不过，对于传统的GaN基DBR，如外延以AlN/GaN系为代表的氮化物DBR，由于AlN/GaN的晶格失配和热膨胀系数差异，实际过程中制备高质量AlN/GaN系DBR困难极大。同时，由于AlN/GaN的折射率差较小，往往需要增加更多的周期数并引入超晶格插入层来实现反射镜的高反射率，这将进一步增加AlN/GaN系DBR的外延难度。因此，以AlN/GaN系为代表的传统氮化物DBR生长程序复杂，外延条件极为苛刻且重复率不高，是一直以来困扰GaN基DBR走向实际应用的难题。
另一种可替代方案是通过激光剥离使外延层从衬底上脱落，然后在剥离GaN面沉积介质DBR层或金属反射镜再与其它衬底热压键合或电镀铜衬底。该方法规避了外延传统氮化物DBR的难题，可以实现谐振腔高反射率的底部反射镜，有利于获得高品质因子的谐振微腔。不过激光剥离的方法成本较高，且剥离后的外延层底部很不平整，需要经过化学磨抛以实现剥离面的平坦化，从而降低散射损耗。此外，为了尽量减轻激光剥离对有源区的影响，往往需要采用较长的谐振腔长使有源区远离剥离面，但这会降低谐振腔的品质因子。因此，通过剥离衬底再沉积介质DBR底镜的方法，其器件工艺复杂且难以推广。
GaN基多孔DBR可以从根本上突破谐振腔高反射率底部反射镜的技术壁垒。通过电化学腐蚀掺杂浓度周期调制的氮化物外延结构，可选择性的在重掺杂层内形成横向空气孔道，从而改变该层材料的有效折射率，而非掺杂层(或轻掺杂层)则不会受到腐蚀影响。这时空气隙的引入将使多孔GaN层与非多孔层产生一定的折射率差，从而形成多孔GaN层和非多孔层交替堆叠的DBR复合结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN基多孔DBR的制备方法，通过在外延结构中直接生长掺杂浓度周期调制的氮化物层，并采用横向电化学腐蚀技术将其转变为多孔层和非多孔层交替堆叠的多周期复合结构，形成多孔DBR。
为达到上述目的，本发明提供一种GaN基多孔DBR的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上依次生长缓冲层、n型GaN导电层、交替堆叠的n型高掺杂层和非掺杂层，该交替堆叠的n型高掺杂层和非掺杂层构成多周期的氮化物外延结构；
步骤2：在氮化物外延结构的上表面沉积绝缘介质层；
步骤3：通过光刻、腐蚀在绝缘介质层的上表面的一侧形成电极窗口，同时在电极窗口以外区域形成凹槽；
步骤4：采用干法刻蚀技术向下刻蚀电极窗口形成电极台面，同时向下刻蚀凹槽以暴露氮化物外延结构的侧壁形成腐蚀凹槽；
步骤5：对暴露侧壁的氮化物外延结构进行电化学腐蚀，形成周期性的多孔DBR；
步骤6：利用湿法腐蚀去除绝缘介质层，完成制备。
本发明的有益效果是，该方法只需外延掺杂浓度周期调制的氮化物层，不存在晶格失配问题，且多孔DBR可通过调节外延及腐蚀条件实现反射率可控、高反带可调。该方法规避了传统氮化物反射镜的外延难题，且实现过程简单、可重复性高，将极大推动GaN基DBR在氮化物LED及其谐振腔光电器件中的应用。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明做进一步详细说明，其中：
图1为本发明的制备流程示意图；
图2-图5为本发明制备过程的结构示意图；
图6为本发明一实施例的多孔DBR扫描电子显微镜图片(SEM图)；
图7为本发明一实施例的多孔DBR的反射谱图。
具体实施方式
请参阅图1，并结合图2-图5所示，本发明提供一种GaN基多孔DBR的制备方法。包括如下步骤：
步骤1：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在一衬底10上依次生长缓冲层11、n型GaN导电层12、交替堆叠的n型高掺杂层13和非掺杂层14，该交替堆叠的n型高掺杂层13和非掺杂层14构成多周期的氮化物外延结构14’；
其中所述衬底10为蓝宝石、硅或碳化硅；所述缓冲层11由依序生长的低温GaN形核层和非掺杂GaN层组成，可用作形核层的材料还包括AlN、ZnO或石墨烯；所述n型GaN导电层的掺杂浓度为5×1018cm-3；
所述交替堆叠的高掺杂层13与非掺杂层14为GaN材料，其中非掺杂层13与n型高掺杂层14的掺杂浓度分别为5×1016cm-3和1×1019cm-3，共外延12周期；
步骤2：采用等离子体增强化学气相沉(PECVD)在在氮化物外延结构14’的上表面沉积绝缘介质层15(参阅图3)，为SiO2材料，厚度为200-900nm，其它可用作绝缘介质层15的材料还包括SiNx或光刻胶；
步骤3：通过光刻、腐蚀在绝缘介质层15的上表面的一侧形成电极窗口15’(参阅图3)，同时在电极窗口15’以外区域形成周期性的凹槽，所述凹槽形状为长条形且垂直于电极窗口区域；
步骤4：采用采用电感耦合等离子(ICP)干法刻蚀技术向下刻蚀电极窗口形成电极台面12’(参阅图4)，同时向下刻蚀凹槽以暴露氮化物外延结构14’的侧壁形成腐蚀凹槽；也可以在形成电极台面12’后，直接对电极台面以外区域进行激光划刻来获得腐蚀凹槽以暴露侧壁；
步骤5：采用金属Pt阳极夹持n型GaN导电层的电极台面12’(参阅图4)，以另一金属Pt片作为对阴极，以稀HNO3为电解液在恒定电压下(5-10V)对暴露侧壁的氮化物外延结构14’进行电化学腐蚀，这时n型高掺杂层14将被选择性的转化为多孔层，从而形成多孔层与非掺杂层周期堆叠的多孔DBR层17；
步骤6：腐蚀结束后，利用稀HF酸湿法腐蚀去除多孔DBR以上的绝缘介质层15，并用去离子水超声清洗，氮气吹干，至此完成多孔DBR制备(参阅图5)。
需要说明的是，经步骤4形成电极台面12’后，也可以先在电极台面12’区域沉积Cr/Al/Ti/Au，Ni/Au，Cr/Pt/Au，Ni/Ag/Pt/Au，Ti/Au或Ti/Pt/Au金属电极，再用金属Pt阳极夹持该电极区域进行电化学腐蚀，以使外电压在外延材料表面的压降分布更为均匀。
图6给出了优选实施例中该GaN基多孔DBR的SEM图。其中，SEM图内的多孔层为经电化学腐蚀后的重掺杂GaN层，而未腐蚀的GaN层为非掺杂层。两层材料由于空气隙的引入存在折射率差，并交替堆叠构成复合式多孔DBR结构。
图7给出了优选实施例中该GaN基多孔DBR对应的反射谱图。反射谱图中的横坐标为波长，纵坐标为反射率，从反射谱图可以看出，该多孔DBR在520nm附近具有极高的反射率以及较宽的高反射带，可以满足同波段高亮绿光LED、GaN基绿光RCLED、VCSEL对于高反射率底部反射镜的要求。
值得说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种GaN基多孔DBR的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上依次生长缓冲层、n型GaN导电层、交替堆叠的n型高掺杂层和非掺杂层，该交替堆叠的n型高掺杂层和非掺杂层构成多周期的氮化物外延结构；
步骤2：在氮化物外延结构的上表面沉积绝缘介质层；
步骤3：通过光刻、腐蚀在绝缘介质层的上表面的一侧形成电极窗口，同时在电极窗口以外区域形成凹槽；
步骤4：采用干法刻蚀技术向下刻蚀电极窗口形成电极台面，同时向下刻蚀凹槽以暴露氮化物外延结构的侧壁形成腐蚀凹槽；
步骤5：对暴露侧壁的氮化物外延结构进行电化学腐蚀，形成周期性的多孔DBR；
步骤6：利用湿法腐蚀去除绝缘介质层，完成制备。
2.根据权利要求1所述GaN基多孔DBR的制备方法，其中所述衬底为蓝宝石、硅或碳化硅；所述缓冲层由依序生长的低温GaN形核层和非掺杂GaN层组成，可用作形核层的材料还包括AlN、ZnO或石墨烯。
3.根据权利要求1所述GaN基多孔DBR的制备方法，其中所述交替堆叠的高掺杂层与非掺杂层为GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN材料。
4.根据权利要求1所述GaN基多孔DBR的制备方法，其中所述氮化物外延结构中交替堆叠的n型高掺杂层高于n型GaN导电层的掺杂浓度。
5.根据权利要求1所述GaN基多孔DBR的制备方法，其中所述绝缘介质层的材料为SiO2、SiNx或光刻胶。
6.根据权利要求1所述GaN基多孔DBR的制备方法，其中所述n型GaN导电层或者生长在多周期氮化物外延结构的上表面，这时只需形成腐蚀凹槽，暴露多周期氮化物外延结构的侧壁即可。
7.根据权利要求1所述GaN基多孔DBR的制备方法，其中所述腐蚀凹槽或者通过直接对覆盖绝缘层的氮化物外延结构进行激光划槽获得。
8.根据权利要求1所述GaN基多孔DBR的制备方法，其中所述电化学腐蚀的电解液为HNO3、H3PO4、H2SO4、NaOH、KOH、NaNO3、Na2SO4或NaCl溶液。
9.根据权利要求1所述GaN基多孔DBR的制备方法，其中所述多孔DBR为多孔氮化物层和非多孔层交替堆叠构成的多周期复合结构。
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