CN109994582B - 一种降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构 - Google Patents
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Abstract
一种降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,包括:基底以及生长于基底上的N层DBR层,每层DBR层自下而上由低折射率材料层及高折射率材料层构成,该低折射率材料层由AlAs1‑xPx材料制成,该高折射率材料层由Al1‑yGayAs1‑zPz材料制成。通过P元素的掺入可以调节DBR层的晶格常数,使其等于或者接近GaAs基底,形成无应变、低应变或者具有应变补偿的DBR结构,由于没有应变积累,生长过程中不会产生外延片翘曲,获得平整、均匀的外延层。DBR由于没有应变积累,可以生长较多层数,获得较高的反射率。DBR层中P元素的占比很小,几乎不会影响材料的折射率,不会破坏DBR原有的光学性质。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,具体涉及一种降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构。
背景技术
分布布拉格反射器(DBR)是采用周期性结构的布拉格反射的反射镜结构,包含了两种光学材料组成的可调节的多层结构。最常用的是四分之一反射镜,其中每一层的厚度都对应四分之一的波长。DBR的工作原理如下,光照射在DBR结构后,在两种材料的每个界面处都发生菲涅尔反射。在工作波长时,两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长,另外,界面处的反射系数的符号也会发生改变。因此,在界面处的所有反射光发生相长干涉,得到很强的反射。反射率是由材料的层数和材料之间的折射率差决定的。反射带宽则主要由折射率差决定。
根据材料的组成,DBR结构可以分为电解质DBR、光纤DBR及半导体DBR等。其中半导体材料组成的DBR结构广泛应用于发光二极管及半导体激光器中,比如面发射激光器中,DBR结构是最为重要也是制作难度较大的部分。LED及LD中,主要的DBR材料体系为AlGaAsDBR、AlGaInP DBR、AlOy DBR及AlGaInN DBR等。其中AlGaInN DBR主要用于GaN系列的蓝绿发光器件,AlGaInP DBR折射率差异较小且含有稀有元素In,不适合低成本的批量生产,而AlOy DBR在工艺稳定性及导电性上还有不足。目前,GaAs基底的LED及LD器件大部分使用AlGaAs DBR做为反射镜,提高发光强度。比如在620-680nm的红光波段,采用的是A1As/A1xGa1-xAs基DBR,为了避免光吸收,需x>0.4;对于短程通信用的850nm波段,铝的组分要减少为x=0.25;红外波段的980nm的LED及VCSEL选用的是GaAs/A1As基DBR。
虽然GaAs与AlAs的晶格常数接近,在室温下分别为和但仍会有1.3%的晶格失配,在GaAs/AlAs的DBR结构中每一对就会产生1.3%的应变。要获得较高的反射率,需要增加DBR的层数。对于VCSEL,其增益区较薄,要获得足够高的增益需要后腔面的反射率接近100%,而出光面的反射率也要在99%附近。因此高反射率的DBR总对数一般为数十对,而厚度最大可以达到数个微米。在DBR生长过程中,应变的不断积累使得外延层的应力不断加大,导致外延片不再平整,出现一定弧度的翘曲。翘曲的出现,会降低外延片的温度均匀性,生长的材料质量变差,同时,后续器件制作过程中也容易出现裂片的现象。因此在外延片生长过程中应尽量减小或者避免外延片翘曲的出现。
中国专利CN105679898A公布了一种具有翘曲调节结构层的LED外延结构及其生长方法,在LED的高温GaN层和高温N型GaN层之间插入翘曲调节结构层,结构为SiN/GaN/AlGaN/GaN超晶格层,通过调节各层的生长条件来调节外延片生长过程中的翘曲程度,从而提高LED外延片产品单片参数的均匀性。中国专利CN103296151A公开了一种降低LED外延翘曲应力的方法,在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层,并形成岛状生长。降温后在此表面外延GaN及AlGaN双层薄膜的超晶格,然后完成GaN层的制备。此方法利用超晶格插入层调节释放二维生长的应力,进而改善外延片发光层的翘曲程度。这两种方法都是利用超晶格的插入层来削弱应变,适合于大失配晶格常数及热膨胀系数的蓝宝石衬底的GaN基器件,对于GaAs基外延片,Si只是用来进行掺杂,形成不了砷化物,无法进行应力调节。而且超晶格一般为多层不同组分及折射率的材料,会影响外延层整体的有效折射率,不适合用于高反射率的DBR中。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种折射率高,不会破坏DBR原有的光学性质的降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是:
一种降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,包括:基底以及生长于基底上的N层DBR层,每层DBR层自下而上由低折射率材料层及高折射率材料层构成,该低折射率材料层由AlAs1-xPx材料制成,其中x的取值范围为0.02≤x≤0.06,该高折射率材料层由Al1-yGayAs1- zPz材料制成,其中当y≥0.7时,z=0,当y<0.7时,z的取值范围为0.01≤z≤0.03。
优选的,上述基底为GaAs材料制成。
优选的,N为大于等于10,小于等于100的自然数。
优选的,上述DBR层的厚度为1-10μm。
优选的,上述AlAs1-xPx材料中x的取值为0.04。
优选的,上述Al1-yGayAs1-zPz材料中当y<0.7时,z的取值为0.02。
本发明的有益效果是:通过P元素的掺入可以调节DBR层的晶格常数,使其等于或者接近GaAs基底,形成无应变、低应变或者具有应变补偿的DBR结构,由于没有应变积累,生长过程中不会产生外延片翘曲,获得平整、均匀的外延层。DBR由于没有应变积累,可以生长较多层数,获得较高的反射率。DBR层中P元素的占比很小,几乎不会影响材料的折射率,不会破坏DBR原有的光学性质。
附图说明
图1为本发明的的DBR结构示意图;
图2为本发明的AlAs层与AlAs0.96P0.04层的x射线衍射图谱;
图3为本发明的实施例1中的DBR反射谱与传统DBR反射谱的反射率对比图;
图中,1.基底2.低折射率材料层3.高折射率材料层4.GaAs基底衍射峰5.AlAs层衍射峰6.AlAs0.96P0.04层衍射峰7.DBR反射谱8.传统DBR反射谱。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2、附图3对本发明做进一步说明。
如附图1所示,一种降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,包括:基底1以及生长于基底1上的N层DBR层,每层DBR层自下而上由低折射率材料层2及高折射率材料层3构成,该低折射率材料层2由AlAs1-xPx材料制成,其中x的取值范围为0.02≤x≤0.06,该高折射率材料层3由Al1-yGayAs1-zPz材料制成,其中当y≥0.7时,z=0,当y<0.7时,z的取值范围为0.01≤z≤0.03。不同于传统的AlGaAs/AlAs材料DBR,根据AlGaAs中Al组分,只在AlAs层或者同时在AlAs层及AlGaAs层中掺入一定比例的P(磷)元素,形成AlAs1-xPx及Al1-yGayAs1-zPz化合物,调节其晶格常数,在GaAs基底上形成无应变、低应变或者应变补偿的DBR结构。如背景技术所述,GaAs与AlAs的晶格常数分别为和而AlP的晶格常数为当AlAs与AlP形成合金化合物AlAs1-xPx时,根据Vegard定律,当AlP占比为4%时,形成的合金化合物的晶格常数几乎等同于GaAs基底的晶格常数,可以认为它们之间没有应力,自然不会存在应变积累。通过P元素的掺入可以调节DBR层的晶格常数,使其等于或者接近GaAs基底,形成无应变、低应变或者具有应变补偿的DBR结构,由于没有应变积累,生长过程中不会产生外延片翘曲,获得平整、均匀的外延层。DBR由于没有应变积累,可以生长较多层数,获得较高的反射率。DBR层中P元素的占比很小,几乎不会影响材料的折射率,不会破坏DBR原有的光学性质。
进一步的,基底1为GaAs材料制成。
优选的,N为大于等于10,小于等于100的自然数,即DBR层有10-100层。每层DBR层的厚度为1-10μm。
进一步的,AlAs1-xPx材料中x的取值为0.04。此时AlAs0.96P0.04的晶格常数等于GaAs基底的晶格常数,其相对于GaAs基底为无应变层。Al1-yGayAs1-zPz材料中当y<0.7时,z的取值为0.02。此时高折射率材料层3的材料晶格常数接近GaAs基底的晶格常数,其相对于GaAs基底为无应变层。从而进一步防止应变积累的产生,使DBR层生长过程中不会产生外延片翘曲。
下面结合两个具体实施例来对本发明作出进一步说明:
实施例1:
传统的数据传输用的红外940nm VCSEL,其标准结构从下至上依次为基底、下DBR层、下限制层、有源层、上限制层、上DBR层及接触层。其DBR结构一般选择GaAs/AlAs材料,对数在30-50对,厚度3-5μm。AlAs层在如此厚的情况下势必带来较大的应变积累,使得生长过程中外延片出现翘曲,影响有源区质量。
而使用本发明的DBR结构,基底1为GaAs材料制成,低折射率材料层2为AlAs0.96P0.04,高折射率材料层3为GaAs,即Al1-yGayAs1-zPz中y=1,z=0。从附图2的x射线衍射图谱可以看出,与GaAs基底衍射峰4相比,AlAs层衍射峰5在-400弧秒位置,而AlAs0.96P0.04层衍射峰6在-100弧秒位置。由于生长温度一般较高,可认为室温下衍射峰在-100弧秒位置的外延层与基底1是匹配的。因此使用AlAs0.96P0.04与GaAs材料制成的DBR层是无应变的,外延片在生长过程中不会产生翘曲。
同时,如附图3所示,本发明AlAs0.96P0.04与GaAs材料制成的DBR层的DBR反射谱7与原有结构GaAs/AlAs的传统DBR反射谱8在940nm波段附近几乎一样,DBR的光学性质几乎没有发生改变。
实施例2:
对于目前广泛应用于显示的AlGaInP红光630nm LED外延片,其标准结构从下至上依次为基底、DBR层、下限制层、量子阱层、上限制层及窗口层。在尽可能增大DBR两层材料折射率差的情况下,同时保证不吸收量子阱的630nm发光,其DBR一般选择Al0.4Ga0.6As/AlAs,DBR对数一般在10-40对,总体厚度在1-4μm。这两种材料同GaAs的失配度分别是0.5%及1.3%,随着厚度积累,外延片也存在这一定的翘曲度。
与实施例1不同,这里的高折射率材料层3为Al0.4Ga0.6As0.98P0.02。因此本实施例的DBR层材料选择为AlAs0.96P0.04/Al0.4Ga0.6As0.98P0.02,其中Al0.4Ga0.6As0.98P0.02为低应变层,AlAs0.96P0.04为无应变层。由于LED发光特性,反射率不向VCSEL要求这么高,其DBR对数一般20对就满足需求,在此情况下,外延片也不会存在明显的翘曲现象。
Claims (6)
1.一种降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,其特征在于,包括:基底(1)以及生长于基底(1)上的N层DBR层,每层DBR层自下而上由低折射率材料层(2)及高折射率材料层(3)构成,该低折射率材料层(2)由AlAs1-xPx材料制成,其中x的取值范围为0.02≤x≤0.06,该高折射率材料层(3)由Al1-yGayAs1-zPz材料制成,其中当y≥0.7时,z=0,当y<0.7时,z的取值范围为0.01≤z≤0.03。
2.根据权利要求1所述的降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,其特征在于:所述基底(1)为GaAs材料制成。
3.根据权利要求1所述的降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,其特征在于:N为大于等于10,小于等于100的自然数。
4.根据权利要求1所述的降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,其特征在于:所述DBR层的厚度为1-10μm。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,其特征在于:所述AlAs1-xPx材料中x的取值为0.04。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的降低GaAs基外延片翘曲度的DBR结构,其特征在于:所述Al1-yGayAs1-zPz材料中当y<0.7时,z的取值为0.02。
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