摘　要:　采用金属有机物化学气相沉积方法制备了蓝光波段高反射率AlN/GaN分布布拉格(DBR)反射镜。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜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。结果显示样品的表面有少量圆形台面结构和裂纹出现,但在其他区域,样品具有较为平整的表面。该样品在462.5 nm附近获得最大反射率99.4%,表面均方根粗糙度小至2.5 nm。分析表明,所得DBR达到了制备GaN基垂直腔面发射激光器的要求。

　　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。

　　2　结果和分析

　　利用金相显微镜,可观察到样品表面有少量裂纹,密度约为2 mm-1。此外,还有一些圆形台面结构出现。图1为样品表面的显微镜照片,放大倍数为50倍。裂纹可能是由DBR结构生长过程中累积的应力释放所致,该应力源自AlN和GaN间较大的晶格失配和热膨胀系数差异。该样品表面裂纹密度少于Schenk等人从21周期Al0.39Ga0.61N/GaNDBR所观察到的100 mm-1的结果[6],其原因可能是我们减少了GaN缓冲层厚度(Schenk等人采用的缓冲层大于3μm)。因为存在蓝宝石衬底对GaN缓冲层的背景压应力,采用小的GaN缓冲层厚度可以获得a-轴晶格常数小的GaN缓冲层,进而降低其与DBR结构中首先生长的AlN层的晶格失配,从而达到减少裂纹的目的。

　　为了研究圆形台面结构的成因,我们利用AFM扫描了样品的表面,采用轻敲模式,共观察到三种不同形貌的圆形台面结构:(a)类锥状圆台;(b)层状圆台;(c)完整圆台,如图2。这些圆形台面结构可能起源于螺旋位错或混合线位错。由于螺旋位错周围结晶生长速度较快,首先形成以位错露头点为中心的锥形结构。随着生长厚度的进一步增加,部分位错露头点消失,圆台中心附近不再继续产生新的螺旋形生长台阶。由于样品表面水平生长速度高于垂直生长速度,随着厚度的增加,螺旋形生长台阶不断往外延展,逐步形成如图2(a)-(c)所示的台面结构。

　　图3是DBR结构的典型表面形貌照片,在5μm×5μm的面积内,样品的表面均方根粗糙度(RMS)为2.5 nm。Yao等人曾将DBR中的GaN缓冲层厚度降至1μm以获得无裂纹的表面[7],但是其表面粗糙度(~8 nm)比本文所得结果大很多,而粗糙的表面将不利于后续器件结构的生长。图4为DBR样品截面的SEM照片。图中亮条纹为GaN层,暗条纹为AlN层。从照片可以清楚地看到GaN缓冲层和DBR两部分结构。其中DBR结构两种材料的排列具有良好的周期性,每个周期厚度一致。表明本研究得到了周期性很好的DBR结构。

　　图5中实线为在近垂直情况下测得的反射谱,测量光斑直径为0.4 cm。测得DBR的中心反射波长为462.5 nm,最大反射率为99.4%,半高宽为40nm,高反带带宽(大于97%)为15 nm。与Feltin等人的40周期Al0.83In0.17N/GaN DBR相比[8],在相同波段相同最大反射率的前提下,本样品具有更大的半高宽。此优点使得在生长GaN基VCSEL时,允许量子阱发光波段有更大的调整范围,进而更加容易实现激射。较大的半高宽也表明了样品良好的结晶质量。Wang等人通过插入超晶格结构消除了AlN/GaN DBR的表面裂纹,获得了5μm×5μm面积内3.5 nm的粗糙度,并且将其应用于GaN基VCSEL结构中,实现了光泵与电注入条件下的激射[5,9]。与之相比,本研究实现了相同的最大反射率,虽然表面有少量裂纹,但是在相同面积上的粗糙度更小,并且有相近的高反带带宽。而且,由于我们没有在DBR结构中插入超晶格,使得生长过程大幅度简化。另外,在Someya和Kao等人已经激射的VCSEL结构中,所应用的氮化物DBR的最大反射率均小于本文所得结果(分别为98%和94%)[1,10]。所以,从表面粗糙度和反射率方面考虑,本文所得的DBR可用于VCSEL器件的研制。

    图5中点线为利用传输矩阵方法模拟的反射谱结果,计算中AlN和GaN厚度分别取为50.1 nm和47.3 nm,其折射率分别为2.30和2.43。中心波长的实验结果(462.5 nm)与设计值(460 nm)吻合较好。我们在进行模拟时,没有将材料对光的吸收因素考虑进去,因此模拟所得的高反带带宽要大于实验结果。同时,DBR中各层生长厚度的波动也会造成高反带带宽的下降,也是造成实验结果较小的原因。实验所得最大反射率和干涉条纹与理论模拟结果略有差异,可能来源于样品中的位错以及各层实际生长厚度与理想四分之一波长厚度的偏差。

　　3　结论

　　本文利用MOCVD系统制备了蓝光波段高反射率AlN/GaN DBR。其中心波长为462.5 nm,最大反射率为99.4%,半高宽为40 nm,高反带带宽(大于97%)为15 nm。样品表面虽有少量圆形台面结构和裂纹,但其他区域表面粗糙度低至2.5 nm。横断面SEM照片显示样品具有良好的周期性结构。从表面粗糙度和反射率两方面考虑,本文所得的DBR可以应用于GaN基VCSEL的研制。

　　参考文献:

　　[1]　Someya T, Werner R, Forchel A, et al. Room-temperarure lasing at blue wavelengths in galliumNItride microcavities [ J]. Science, 1999, 285: 1905-1906.

　　[2]　Tawara T,Gotoh H,Akasaka T,et al.Low-thresholdlasing of InGaN vertical-cavity surface-emitting laserswith dielectric distributed Bragg reflectors[J]. Appl.Phys. Lett., 2003, 83(5):830-832.

　　[3]　Song Y K,Zhou H,Diagne M,et al.A quasicontinuouswave, optically pumped violet vertical cavity surface

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　　[4]　Zhou H,Diagne M,Makarona E,et al.Near ultravioletoptically pumped vertical cavity laser[J]. Electron.Lett., 2000,36(21):1777-1779.

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　　[9]　Wang S C,Lu T C,Kao C C,et al.Optically pumpedGaN-based vertical cavity surface emitting lasers:technology and characteristics [ J]. Jpn. J. Appl.Phys.,2007, 46(8B):5397-5407.

　　[10]　Kao C C,Peng Y C,Yao H H,et al.Fabrication andperformance of blue GaN-based vertical-cavity surfaceemitting laser employing AlN/GaN and Ta2O5/SiO2distributed Bragg reflector[J]. Appl. Phys. Lett.,2005,87(8):0811051-0811053.

　　作者简介:吴超敏(1985-),男,硕士生,主要从事氮化镓材料及器件研究。

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