用于紫外探测器的高反射率分布布拉格反射镜结构和生长方法

摘要

用于紫外探测器的高反射率分布布拉格反射镜结构：从基底到上部的结构为，5－50nm厚的低温LT－GaN、50－2000nm厚的高温HT－GaN和或加入一层厚度为5－100nm的高温HT－AlN；最后为10－50周期的15－80nm高温AlN/15－100nm高温AlxGal－xN，其中Al组分x≥0.3。对反射波长小于360nm的紫外射线的DBR结构；该结构包括：5－50nm厚的低温LT－GaN/50－2000nm厚的高温HT－GaN/和或包括加入一层厚度为5－100nm的高温HT－AlN/最后为10－50周期的15－80nm高温AlN/15－100nm高温AlxGal－xN结构。

说明书

                            技术领域

本发明涉及一种用于紫外射线探测器，紫外射线发光二极管和紫外射线激光器的高反射率分布布拉格反射镜(DBRs)结构设计和材料生长技术。在衬底材料上用MOCVD生长技术生长GaN、AlN或Al_xGa_1-xN作为缓冲层，再在该缓冲层上生长AlN/Al_xGa_1-xN多周期的分布布拉格反射镜。并将该结构反射镜用于紫外射线探测器，紫外射线发光二极管和紫外射线激光器结构中。

                            背景技术

从半导体激光器和探测器的发展进程来看，进一步降低阈值、降低噪声、提高量子效率一直是人们的追求。人们在材料制备，器件结构设计等诸多方面进行了大量的研究。把光电器件的激活区置于Febry-Perot谐振微腔内的新型光电器件已经在以GaAs和InP为代表的第二带半导体发光二极管，激光器和探测器中得到应用。具有微腔结构的电子器件可以大大提高在谐振波长附近光电器件的量子效率，提高器件的响应速度，使发射或吸收光谱变窄，改善光发射的方向性等。在微腔结构中引入高反射率的分布布拉格反射镜是解决这些问题的途径之一。

目前，分布布拉格反射镜已经成为发展发光二极管(LEDs)，光探测器和垂直腔面发射激光器(VCSELs)的关键技术。分布布拉格反射镜的采用极大地提高了腔内反射光的比重，提高了器件的输出功率。高反射率DBRs的使用可以使得这些器件的内量子效率得到极大的提高。根据多层膜增反原理，组成布喇格反射镜的两种半导体材料的折射率差越大，DBR的反射率就越高。

以GaN为代表的III V族宽直接带隙半导体由于具有带隙宽(Eg＝3.39eV)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，引起人们的极大兴趣和广泛关注。AlN与GaN，InN一样同属宽禁带的III-V族化合物半导体，是一种重要的紫外、蓝光材料，加上它具有高的热导率、低的热膨胀系数、和压电效应等其他重要的物理性质而在电学、光学等领域有着广泛的应用前景。AlN与SiC，Al₂O₃。及Si间的晶格失配度分别为1％、14％和23％。在6H-SiC(0001)衬底上用减压金属有机化学气相沉积的方法生长得到的单晶ALN薄膜，它的(0001)衍射峰的半峰宽仅为0.02°、薄膜中的位错密度为1.81×10⁸/cm²，残余应力仅有109达因//cm²。氮化铝是III-V族化合物中能带(＜6.2eV)最宽的化合物。它具有很高的声速；很高的导热性和化学稳定性；优良的绝缘性和很低的介电损耗；在可见光和近红外光范围内具有优异的光透过性，在分解温度2300℃以上仍具有很高的机械强度和硬度；具有与硅相近的低热膨胀系数。由于AlN材料的制备技术的困难限制了AlN器件的发展。

目前，由于材料生长的困难，大多数AlGaN系列半导体激光器和光电探测器结构材料的制备中，布喇格反射镜多采用GaN/Al_xGa_1-xN(x≤0.3)交替生长的半导体材料。但由于铝组分过低，限制了360nm以下的低波段紫外器件的发展。

                             发明内容

本发明目的是：用传输矩阵方法计算设计高反射率分布布拉格反射镜结构，即AlGaN/AlN反射镜的结构；利用低压MOCVD方法生长波长在360nm以下的AlGaN/AlN半导体多层膜DBRs反射镜，用以实现了材料的优化生长，以及在激光器方面的应用。

本发明技术解决方案是：用于紫外探测器的高反射率分布布拉格反射镜结构和生长方法：其从基底到上部的结构为5-50nm厚的低温LT-GaN、50-2000nm厚的高温HT-GaN和或加入一层厚度为5-100nm的高温HT-AlN；最后为10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN，其中Al组分x≥0.3；生长方法为：首先，用传输矩阵方法计算设计AlGaN/AlN反射镜的结构(结果如上)，确定DBR的材料结构；然后进行材料结构生长；在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在500-1100℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化，再在一定温度范围500-1100℃通入载气N₂，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上合成生长厚度在50-2000nm的低温和高温GaN材料，或再在该GaN材料上生长一层5-10nm的高温AlN插入层，接着以1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的5-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜。其中金属有机源包括三甲基铝或三甲基镓或采用HCL载气金属Ga提供镓源。

本发明的机理和技术特点：

用传输矩阵方法计算设计AlGaN/AlN反射镜的结构，确定DBR的材料结构。本发明申请的结构为5-50nm厚的低温LT-GaN/50-2000nm厚的高温HT-GaN/和或包括加入一层厚度为5-100nm的高温HT-AlN/最后为10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN，其中Al组分x≥0.3；根据该结构控制反射波长小于360nm；然后进行材料结构生长。具体结构见图所示；在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在500-1100℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化，再在一定温度范围500-1100℃通入载气N₂，氨气以及金属有机源(或金属源)，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上合成生长厚度在50-2000nm的低温和高温GaN材料，或再在该GaN材料上生长一层5-100nm的高温AlN插入层，接着以1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的10-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜。

其中，结构内具有10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN多层结构，AlN和高Al组分AlxGa1-xN(Al组分≥0.3)的采用，以及多层结构的层数量，各层的厚度，以及生长前的热退火工艺，热退火温度，生长材料的温度控制以及是本发明的关键。

本发明申请人首次使用传输矩阵方法设计和利用MOCVD生长技术在蓝宝石衬底上合成生长可用于低波段紫外探测器，紫外激光器和紫外发光二极管的AlN/AlGaN分布布拉格反射镜结构材料。在DBR结构中采用AlN和高Al组分AlGaN材料大大提高了低波段紫外探测器，紫外激光器和紫外发光二极管器件的量子效率，响应速度、并且使吸收以及发射光谱变窄改善了器件性能。

获得了反射率高达93.5％、中心波长和发射率都接近理论值的DBR结构材料。并对材料结构和光学性能进行了进一步研究。

在蓝宝石衬底上采用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术合成生长AlN/AlGaN分布布拉格反射镜。提高低波段紫外探测器，紫外激光器和紫外发光二极管器件的量子效率，响应速度、并且使吸收以及发射光谱变窄改善器件性能。

                                附图说明

本发明设计生长的多层结构DBR以及该反射镜的特性如下图所示。

图1为本发明的AlN/AlGaN多层DBR结构图。用传输矩阵方法计算设计AlGaN/AlN反射镜的结构，确定DBR的材料结构。本发明的结构为5-50nm厚的低温LT-GaN/50-2000nm厚的高温HT-GaN/和或包括加入一层厚度为5-100nm的高温HT-AlN/最后为10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN，其中Al组分x≥0.3；根据该结构确定DBR结构的反射波长小于360nm；

图2为本发明用MOCVD设备生长的一种设计波长在320nm的具有30个周期AlN/AlGaN多层DBR结构扫描电镜照片图。从图中可以清楚地看出DBR结构的层界，并且可以看出生长的界面平整，各层厚度与理论计算值一致。

图3为本发明的基于光学传输矩阵方法的DBR理论模拟值和测量值的比较，模拟时用折射率比为1.05，二者吻合很好。

图4为本发明的基于光学传输矩阵方法的DBR理论模拟谱和测量谱的比较，该结构选择的AlN和AlGaN材料的折射率之比为1.05，设计的紫外反射波长中心峰在320nm，而实际测量峰位于313nm；设计的DBR的反射率为R98％，而生长出的DBR实际测量值为93％。反映了实际测量值与设计值符合的比较好。

                           具体实施方式

本发明用传输矩阵方法计算设计AlGaN/AlN反射镜的结构，确定DBR的材料结构。该传输矩阵表达如下：

$>\left(\begin{array}{}>>>B>>>>>C>>>>>=>>\Pi >>r>=>1>>q>\left(\begin{array}{}>>>cos>>(>>\delta >r>>)>>>>>>i>·>sin>>(>>\delta >r>>)>>>>n>r>>>>>>>i>·>>n>r>>·>sin>>(>>\delta >r>>)>>>>cos>>(>>\delta >r>>)>>>>>\left(\begin{array}{}>>>1>>>>>>n>sub>>>>>>>s>\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)$

$>>>\delta >r>>=>>>2>\pi n>>r>>>>d>r>>\lambda >>,>>d>r>>=>>>\lambda >d>>>4>>>·>n>>r>>>>>s>$

式中n_sub和n_r分别表示衬底和反射层r^th的反射系数；d_r对应周期对数的几何厚度；λ_d是高反射波形峰的目标波长。因此，反射率可以由下式决定：

$>>R>=>>(>>>1>->C>/>B>>>1>+>C>/>B>>>)>ver>>>(>>>1>->C>/>B>>>1>+>C>/>B>>>)>>‾>>>s>$

本发明申请的结构为5-50nm厚的低温LT-GaN/50-2000nm厚的高温HT-GaN/和或包括加入一层厚度为5-100nm的高温HT-AlN/最后为10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN，其中Al组分x≥0.3；根据该结构控制反射波长小于360nm；然后进行材料结构生长。

具体结构见图所示；在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在500-1100℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化(3-15min)，再在一定温度范围500-1100℃通入载气N₂，氨气以及金属有机源(其中金属有机源包括三甲基铝或三甲基镓或采用HCL载气金属Ga提供镓源)，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上合成生长厚度在50-2000nm的低温500-1100℃和高温800-1100℃GaN材料，或再在该GaN材料上生长一层5-100nm的高温800-1100℃AlN插入层，接着以1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的10-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜。本发明在蓝宝石衬底上DBR结构的优化生长条件范围见表1所示。

其中，结构内具有10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN多层结构，AlN和高Al组分AlxGa1-xN(Al组分≥0.3)的采用，以及多层结构的层数量，各层的厚度，以及生长前的热退火工艺，热退火温度，生长材料的温度和温度控制是本发明的关键。

表1.在蓝宝石衬底上生长AlN/AlGaN DBR结构的优化生长条件范围

  生长层  生长温度(℃)  压力(Torr  V/III比  材料  成核层  500-1100  0-500  --  衬底材料  缓冲层  500-1100  0-500  50-3000  低温GaN  缓冲层  800-1100  0-500  50-3000  高温GaN  反射镜  AlN，1000-1300  0-500  50-3000  10-50周期间隔   长层  AlGaN，1000-1300  0-500  50-3000

具体包括以下几步：

1.在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在500-1100℃温度下进行材料热处理，或然后通入氨气进行表面氮化。

2.然后在500-1100℃温度范围通入载气N₂，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上合成生长低温和高温5-100nm的GaN缓冲层材料。

3.再在该GaN材料上以500-1300℃生长15-80nm厚AlN/15-100nm厚Al_xGa_1-xN，x0.3的10-50周期的反射镜层。其中，结构内具有10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN多层结构，AlN和高Al组分AlxGa1-xN(Al组分≥0.3)的采用，以及多层结构的层数量，各层的厚度，以及生长前的热退火工艺，热退火温度，生长材料的温度和温度控制是本发明的关键。

其中V/III比表示V价载气或源的元素(Ga、N)比III价比表示V价源的元素Al的流量中原子比。本发明中的V/III为50-3000，热退火温度500-1100℃，时间为10-40min。

生长AlN时添加金属有机源三甲基铝和氮气，生长Al_xGa_1-xN时三甲基铝或三甲基镓或采用HCL载气金属Ga提供镓源和氮气载气，流量比满足上述条件。

高反射率分布布拉格反射镜结构在紫外激光器，紫外发光二极管和紫外探测器中的应用。