CN209045596U - 一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，包括依次沉积在衬底上的缓冲层、底部布拉格反射层、微腔结构和顶部布拉格反射层；其中：所述底部布拉格反射层和顶部布拉格反射层中至少有一个为氧化锌（ZnO）层和氮化镓（GaN）层以交互堆叠的方式组成的周期结构。本实用新型的优点在于：采用ZnO层和GaN层以交互堆叠的方式组成的周期结构，一方面，ZnO与GaN的晶格失配度（1.9%）比氮化铝（AlN）和GaN晶格的失配度（2.5%）小，从而可以生长出低缺陷密度、高质量的ZnO/GaN结构的布拉格反射层；另一方面，ZnO和GaN的折射率对比度（8.6%，420nm）比AlN和GaN的折射率对比度（6%，420nm）要高，使得相对更少的ZnO/GaN周期数可以实现高反射率的布拉格反射层结构。

Description

一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件。

背景技术

以氮化镓（GaN）为基础的发光元件包括发光二极管(LED)、激光器(LD)等。随着氮化镓外延技术的发展，氮化镓基的发光元件被广泛应用于诸多领域。近年来，由于高功率光显示和高密度光存储领域的应用前景广阔，氮化镓基的谐振腔发光二极管(RCLED)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)引起了人们极大的兴趣。

高反射率、高质量的布拉格反射层（DBR）是氮化镓基的谐振腔发光二极管(RCLED)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的关键技术。目前，用于氮化镓基的谐振腔发光二极管(RCLED)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的布拉格反射层主要为外延生长的氮化物异质结布拉格反射层（Epitaxial DBR）和介质膜布拉格反射层（Dielectric DBR）。外延生长的氮化物异质结布拉格反射层中，一般采用AlN/GaN、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN和AlInN/GaN多周期结构的异质结。其中AlN/GaN异质结布拉格反射层，由于AlN和GaN之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数差异（25%），布拉格反射层中存在较大的应力，并因此造成位错和裂纹，从而降低了布拉格反射层的光学质量，使得其最大反射率和阻带宽度比理论值低很多；Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN异质结布拉格反射层，其折射率对比度比较低，使得布拉格反射层的宽带宽度降低，且需要增加周期数来达到高的反射率；AlInN/GaN异质结布拉格反射层，虽然Al_0.82In_0.18N和GaN的晶格尺寸相匹配，但是由于AlInN容易发生相分离，且InN和AlN的生长条件不匹配，很难生长出高质量的AlInN。相较于外延生长的氮化物异质结布拉格反射层，介质膜布拉格反射层由于不受晶格匹配的限制，可以自由选用折射率对比度大的两种介质材料，可以很容易获得高反射率和阻带带宽大的布拉格反射层。然而介质膜布拉格反射层导电、导热性差，热阻比较高，严重影响氮化镓基谐振腔发光二极管(RCLED)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)发光元件的光电特性及寿命。

鉴于以上两种布拉格反射层的特性，目前氮化镓基的谐振腔发光二极管(RCLED)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)常用的结构为外延生长氮化物异质结布拉格反射层和介质膜布拉格反射层组成的混合式结构和双介质膜布拉格反射层结构。对于混合式结构，工艺制作相对简单，但高反射率、高质量的外延氮化物异质结布拉格反射层生长困难，有源层质量差，阻带带宽较窄，增益匹配条件苛刻，散热特性差。而双介质膜布拉格反射层结构，比较容易得到反射率极高，高阻带宽度的布拉格反射层，易实现增益匹配，外延层可以转移到其它导热性好的衬底上，改善散热特性，然而需要衬底剥离及抛光工艺，且激光剥离将对有源层造成损伤，减薄抛光工艺难以得到光滑的表面。

实用新型内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，解决了现有布拉格反射层结构存在有源层质量差，阻带带宽较窄，需要衬底剥离及抛光工艺，且激光剥离将对有源层造成损伤的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，包括依次沉积在衬底上的缓冲层、底部布拉格反射层、微腔结构和顶部布拉格反射层；其中：所述底部布拉格反射层和顶部布拉格反射层中至少有一个为ZnO层和GaN层以交互堆叠的方式组成的周期结构。

其中：所述ZnO层的厚度和折射率为n₁和d₁，所述GaN层的厚度和折射率为n₂和d₂，所述发光元件的中心波长为λ，满足公式n₁d₁=n₂d₂=¼λ，所述ZnO层和GaN层周期结构的周期数10≤n≤30。

其中：所述布拉格反射层结构中的ZnO层和GaN层可以进行n型掺杂，其中ZnO的n型掺杂元素可以为铝（Al）、镓（Ga）或铟（In），GaN的n型掺杂元素可以为硅（Si）。

其中：所述缓冲层为GaN、AlN和AlGaN的其中一种或任意组合，所述衬底为蓝宝石（Al₂O₃）衬底、硅（Si）衬底、碳化硅（SiC）衬底、ZnO衬底或氧化镓（Ga₂O₃）衬底。

其中：所述微腔结构包括n型GaN层、有源层和p型GaN层，且整个微腔结构的厚度为中心波长λ的整数倍。

其中：所述有源层的位置处于微腔中形成驻波的波峰或波谷的位置。

其中：所述GaN层可以采用In_zAl_wGa_1-z-wN替代，其中0≤z≤0.5,0≤w≤0.5。

（三）有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，具备以下有益效果：采用ZnO层和GaN层以交互堆叠的方式组成的周期结构，一方面，ZnO与GaN的晶格失配度（1.9%）比AlN和GaN晶格的失配度（2.5%）小，从而可以生长出低缺陷密度、高质量的ZnO/GaN结构的布拉格反射层；另一方面，ZnO和GaN的折射率对比度（8.6%，420nm）比AlN和GaN的折射率对比度（6%，420nm）要高，使得相对更少的ZnO/GaN周期数可以实现高反射率的布拉格反射层结构，且其阻带宽度较AlN/GaN结构布拉格反射层的宽；同时，不同于AlN和GaN异质结中自发极化和压电极化方向相同，ZnO与GaN异质结中自发极化与压电极化方向相反，使得极化电场相互抵消，界面极化电荷减少，从而降低异质结界面处的能垒高度，而且ZnO和GaN可以通过n性掺杂来获得高的电子浓度，从而可以提高布拉格反射层的导电性，可以将n电极接触制作在谐振腔外，简化器件的制作流程。

附图说明

图1 为本实用新型中布拉格反射层结构的结构示意图。

图2 为本实用新型实施例一的结构示意图。

图3 为本实用新型实施例二的结构示意图。

附图标记：

衬底1、缓冲层2、布拉格反射层结构3、ZnO层301、GaN层302；

衬底101、缓冲层102、底部布拉格反射层结构103、微腔结构104、n型GaN层1041、有源层1042、p型GaN层1043、顶部布拉格反射层结构105、ZnO层106、GaN层107；

衬底201、缓冲层202、底部布拉格反射层结构203、n型掺杂的ZnO层2031、n型掺杂的GaN层2032、微腔结构204、n型GaN层2041、有源层2042、p型GaN层2043、顶部布拉格反射层结构205、SiO₂层2051、TiO₂层2052。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型提出发光元件中布拉格反射层的结构示意图，所述布拉格反射层结构3为由ZnO层301和GaN层302以交互堆叠的方式组成的周期结构，其中ZnO层301和GaN层302的厚度根据发光元件中心波长来设定，例如，中心波长为450nm时，ZnO层301和GaN层302的厚度分别为56nm和46nm，中心波长为420nm时，ZnO层301和GaN层302的厚度分别为47.7nm和43.2nm。所述ZnO层301和GaN层302的周期数一般在15～30。所述布拉格反射层结构3沉积在有缓冲层2的衬底1上，所述衬底1为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、ZnO衬底或氧化镓衬底，所述缓冲层2为GaN、AlN和AlGaN的其中一种或任意组合。

实施例1，如图2所示，一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，包括依次沉积在衬底101上的缓冲层102、底部布拉格反射层结构103、微腔结构104和顶部布拉格反射层结构105；其中：所述底部布拉格反射层结构103和顶部布拉格反射层结构105均为ZnO层106和GaN层107以交互堆叠的方式组成的周期结构，微腔结构104包括n型GaN层1041、InGaN/GaN多层量子阱有源层1042和p型GaN层1043，所述微腔结构104的总厚度为发光元件中心波长λ的整数倍，且所述微腔结构104中InGaN/GaN多层量子阱有源层1042的位置处于微腔结构104中形成的驻波的波峰或波谷的位置，即微腔结构104中光场强度最大的位置，所述微腔结构104采用MOCVD的方法沉积。

本实施例中，采用蓝宝石作为衬底101， GaN作为缓冲层102。

实施例2，如图3所示，本实施例中与实施例1的不同之处在于底部的布拉格反射层结构203和顶部布拉格反射层结构205，所述底部布拉格反射层结构203为n型掺杂的ZnO层2031和n型掺杂的GaN层2032以交互堆叠的方式组成的周期结构，其中，ZnO层2031的n型掺杂为Al掺杂，GaN层2032的n型掺杂为Si掺杂；而所述顶部布拉格反射层结构205采用介质膜布拉格反射层结构，所述介质膜布拉格反射层结构可以为SiO₂/TiO₂、SiO₂/Ta₂O₅、SiO₂/HfO₂结构。

本实施例中，所述介质膜布拉格反射层结构为SiO₂层2501和TiO₂层2502以交互堆叠的方式组成的周期结构。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，包括依次沉积在衬底上的缓冲层、底部布拉格反射层、微腔结构和顶部布拉格反射层；其特征在于：所述底部布拉格反射层和顶部布拉格反射层中至少有一个为ZnO层和GaN层以交互堆叠的方式组成的周期结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，其特征在于：所述ZnO层的厚度和折射率为n₁和d₁，所述GaN层的厚度和折射率为n₂和d₂，所述发光元件的中心波长为λ，满足公式n₁d₁=n₂d₂=¼λ，所述ZnO层和GaN层周期结构的周期数10≤n≤30。

3.根据权利要求1所述的一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，其特征在于：所述布拉格反射层结构中的ZnO层和GaN层可以进行n型掺杂，其中ZnO的n型掺杂元素可以为铝（Al）、镓（Ga）或铟（In），GaN的n型掺杂元素可以为硅（Si）。

4.根据权利要求1所述的一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，其特征在于：所述缓冲层为GaN、AlN和AlGaN的其中一种或任意组合，所述衬底为蓝宝石（Al₂O₃）衬底、硅（Si）衬底、碳化硅（SiC）衬底、ZnO衬底或氧化镓（Ga₂O₃）衬底的一种。

5.根据权利要求1所述的一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，其特征在于：所述微腔结构包括n型GaN层、有源层和p型GaN层，且整个微腔结构的厚度为中心波长λ的整数倍。

6.根据权利要求5所述的一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，其特征在于：所述有源层的位置处于微腔中形成驻波的波峰或波谷的位置。

7.根据权利要求1所述的一种具有布拉格反射层结构的氮化镓基发光元件，其特征在于：所述GaN层可以采用In_zAl_wGa_1-z-wN替代，其中0≤z≤0.5,0≤w≤0.5。