蓝光波段高反射率AlN/GaN分布布拉格反射镜的制作

　　0　引言

　　由于其在通信、光信息处理等领域的广阔应用前景,GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究受到了广泛关注[1-3]。实现此种器件的一个重要条件就是高反射率反射镜的使用,而分布布拉格反射镜(DBR)是在半导体VCSEL中经常使用的一种反射镜。高反射率DBR无疑也是获得GaN基VCSEL的关键因素。根据Honda等人的研究,当DBR的最大反射率从90%升至99%时,VCSEL的阈值电流密度会下降一个数量级[4]。另外,DBR应有一较大的阻带宽度,这样在生长GaN基VCSEL结构时可以允许量子阱发光波段有更大的调整范围,更易于实现激光激射。至今,外延生长的高反射率DBR,如GaN/AlGaN DBR,已经在GaN基VCSEL中扮演了重要角色。由于AlN和GaN具有相对较高的折射率差,故与GaN/AlGaN DBR相比,AlN/GaN DBR只需要较少的周期数就可获得较高的反射率和较大的阻带带宽。2008年初,Lu等人用这种DBR实现了电注入下VCSEL的连续激射[5]。然而,由于AlN和GaN的a-轴晶格常数分别为0.311 2 nm和0.318 9 nm,热膨胀系数分别为4.2×10-6℃-1和5.59×10-6℃-1,所以,它们之间存在较大的晶格失配(~2.4%)和热膨胀系数差(~25%)。因此,当DBR的周期数增加时会产生许多的位错和裂纹,严重影响反射率和阻带宽度。由此可见,生长高反射率和高质量AlN/GaN DBR仍是一个尚待深入研究的课题。

　　本文通过调整GaN缓冲层厚度,采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术生长了蓝光波段高反射率AlN/GaN DBR。利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及分光光度计等测量手段对样品的物理特性进行了分析表征。结果表明,样品表面有少量圆形台面结构和裂纹出现,但其他区域表面较为平整。AFM测量结果显示样品在5μm×5μm的区域内的均方根粗糙度为2.5 nm。样品横断面的SEM测量结果显示样品具有良好的周期性结构。光学测量表明DBR的反射峰值为462.5 nm,反射率高达99.4%。

　　1　实验

　　采用低压Thomas Swan MOCVD系统在蓝宝石(0001)面衬底上制备AlN/GaN DBR样品。以三甲基铝、三甲基镓和氨气作为源气体。衬底先在H2气氛下经1 100℃高温热处理10 min,然后将温度降至572℃,在低温下淀积一层25 nm厚的低温GaN成核层,再将温度升至1 135℃,生长1.3μm的GaN缓冲层。然后,将生长温度调为1 030℃,在N2气氛下交替生长AlN和GaN层制备DBR。本研究设计DBR中心波长为460 nm,相应的AlN和GaN层厚度分别设为50.1 nm和47.3 nm,共生长40个周期。我们在保证较好的GaN缓冲层晶体质量和表面状况的前提下,将GaN缓冲层的厚度降低到1.3μm。理论计算表明,蓝宝石(0001)表面生长GaN时,GaN受到14%的压应力。受该应力的影响,预计所得GaN缓冲层表面的面内晶格常数(a-轴)会小于块状晶体的值。生长的DBR样品,利用Olympus BX51M金相显微镜观察其表面形貌,使用Seiko SPA400原子力显微镜(AFM)测量样品表面微区的粗糙度;利用XL30环境扫描电子显微镜(SEM)观察其截面;采用Cary 5000分光光度计测量DBR样品的反射谱。