一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件及制备方法技术

本发明专利技术公开一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件及制备方法，发光器件自下而上依次有n型电极、衬底、三族氮化物成核层和缓冲层、n型三族氮化物层、图形化分布布拉格反射镜（DBR）介质掩膜、选择区域生长的n型三族氮化物层、三族氮化物有源层、p型三族氮化物层、露出p型三族氮化物层顶部的介质掩膜、透明导电层、p型电极、顶部DBR介质膜。其中，p型电极设置在透明导电层上，n型电极设置在衬底底部或者n型三族氮化物层上。本发光器件具有尺寸可控、晶体质量高、性能稳定、量子效率极高的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体发光器件的领域，具体涉及一种带有分布布拉格反射镜（DBR）掩膜的三族氮化物发光器件及制备方法。
技术介绍
三族氮化物由于具有有宽禁带、高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为目前半导体技术研究的热点。三族氮化物GaN（禁带宽度3.4eV）、AlN（禁带宽度6.2eV）、InN（禁带宽度0.7eV）及其组成的合金禁带宽度覆盖了从红外到可见光、紫外光的能量范围，因此在光电子领域有着广泛的应用，如大功率白光LED，激光器，紫外波段的日盲探测器等。目前三族氮化物LED、激光器及电子器件已经实现了商品化生产，广泛应用于显示器背光源、照明、信息存储等领域。由于大尺寸三族氮化物单晶材料生长十分困难，这使得同质外延生长难以大规模实现。目前主要是采用异质外延生长的办法在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上生长。经过外延技术的不断革新，在异质衬底上已经生长实现了较高质量的三族氮化物材料及其相关的光电器件，并实现了产品的商业化。然而，日趋成熟的技术也促进了对三族氮化物光电器件性能的进一步要求，特别的是在激光器、量子信息存储、单光子源器件的应用方面。但是由于晶格失配和热失配等原因，异质外延的三族氮化物材料无可避免的存在较高密度的位错，光电器件的量子效率由于位错的存在导致急速下降，极大地影响了器件性能。特别地，半导体激光器对其材料的晶体质量要求极为苛刻，因此，三族氮化物材料的半导体激光器目前基本上只能在同质衬底上实现。而三族氮化物同质衬底价格极为昂贵，这无疑会增大发光器件的制备成本。另外，在像Si衬底这样会吸收可见光的衬底上外延三族氮化物发光器件，通常需要剥离衬底，再制作DBR或者金属反射镜，以提高出光效率，这样就会使得制备工艺更加复杂，导致良品率下降。
技术实现思路
为解决现有技术中发光器件的三族氮化物发光器件因高位错密度导致的低量子效率的问题，本专利技术提出一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件及制备方法，在图形化的DBR介质掩膜上选择区域生长和横向外延过生长三族氮化物，得到在掩膜中心上方无位错的三族氮化物，三族氮化物有源层则生长在此无位错的三族氮化物材料上，具有极高的量子效率。此外，图形化的DBR介质掩膜还能够作为发光器件的反射镜或者底部腔面，无需剥离衬底，简化了制备工艺。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件，发光器件自下而上依次有衬底、三族氮化物成核层和缓冲层、n型三族氮化物层、图形化DBR介质掩膜组、选择区域生长的n型三族氮化物层、三族氮化物有源层、p型三族氮化物层、露出p型三族氮化物层顶部的介质掩膜、透明导电层、p型电极、顶部DBR介质膜组；其中图形化DBR介质掩膜组是由第一图形化DBR介质掩膜或第二图形化DBR介质掩膜构成，或由第一图形化DBR介质掩膜和第二图形化DBR介质掩膜周期性交替构成；其中顶部DBR介质膜组是由第一顶部DBR介质膜或第二顶部DBR介质膜构成，或由第一顶部DBR介质膜和第二顶部DBR介质膜周期性交替构成；上述带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件还包括n型电极，该n型电极设置在衬底底部或设置在n型三族氮化物层上。上述发光器件的p型电极设置在透明导电层上，n型电极设置在衬底底部或者n型三族氮化物层上。n型电极设置在衬底底部时，该发光器件的电流从p型电极注入，从背面的n型电极流出，结构上为垂直导通结构。n型电极设置在n型三族氮化物层上时，该发光器件的电流从p型电极注入，从正面的n型电极流出，结构上为水平导通结构。进一步地，所述选择区域生长的n型三族氮化物层为六角截顶金字塔结构。一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件的制备方法，包括下列步骤：步骤1：在衬底上生长三族氮化物成核层和缓冲层；步骤2：在三族氮化物成核层和缓冲层上生长n型三族氮化物层；步骤3：在n型三族氮化物层上制备图形化DBR介质掩膜组，图形化DBR介质掩膜组是由第一图形化DBR介质掩膜或第二图形化DBR介质掩膜构成，或由第一图形化DBR介质掩膜和第二图形化DBR介质掩膜周期性交替构成；步骤4：在上述图形化DBR介质掩膜组上选择区域生长n型三族氮化物层；步骤5：在选择区域生长的n型三族氮化物层上生长三族氮化物有源层；步骤6：在三族氮化物有源层上生长p型三族氮化物层；步骤7：制备露出p型三族氮化物层顶部的介质掩膜；步骤8：在截顶金字塔结构表面沉积透明导电层，与p型三族氮化物层形成欧姆接触；步骤9：在透明导电层上制备p型电极，在衬底底部或者n型三族氮化物层上制备n型电极；步骤10：在截顶金字塔顶部的透明导电层上制备顶部DBR介质膜组，顶部DBR介质膜组是由第一顶部DBR介质膜或第二顶部DBR介质膜构成，或由第一顶部DBR介质膜和第二顶部DBR介质膜周期性交替构成。本制备方法可以通过控制图形化DBR介质掩膜的周期及图形尺寸大小，从而控制选择区域生长的n型三族氮化物层的尺寸，进而控制发光器件的尺寸。进一步地，所述图形化DBR介质掩膜组是由两种不同折射率的介质材料周期性交替而成，每一层的厚度是对应发光波长的0.25倍。顶部DBR介质膜组的材料与图形化DBR介质掩膜组的材料相同或不相同；顶部DBR介质膜组的反射率略小于图形化DBR介质掩膜组的反射率。进一步地，所述图形化DBR介质掩膜组的选择生长窗口为采用湿法或干法刻蚀出来的周期性多边形环状结构或圆环结构。进一步地，所述图形化DBR介质掩膜组、顶部DBR介质膜组和露出p型三族氮化物层顶部的介质掩膜的材料是SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5或SiNx，其制备方法为PECVD或磁控溅射。进一步地，所述衬底的材料可以用是Si、蓝宝石、SiC、GaN、AlN、或ZnO。进一步地，所述三族氮化物为AlN、GaN、InN、不同组分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的单层或复合层结构；所述生长方法为金属有机气相化学沉积、分子束外延或化学气相沉积。所述发光器件的顶部有DBR介质膜时，该发光器件为垂直腔面发射激光器；所述发光器件的顶部无DBR介质膜时，该发光器件为LED。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本制备方法所采用的图形化DBR介质掩膜既可以阻挡位错，又能作为发光器件的反射镜或者底部腔面，无需剥离衬底，简化了制备工艺。三族氮化物有源层生长在无位错的三族氮化物材料上，具有极高的量子效率。本制备方法可以通过控制图形化DBR介质掩膜的周期及图形尺寸，从而控制选择区域生长的n型三族氮化物层的尺寸，进而控制发光器件的尺寸。附图说明图1A是本专利技术实施例1提供的一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件的截面结构示意图。图1B是本专利技术实施例1提供的一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件的立体结构示意图。图1C是本专利技术实施例1提供的一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件的图形化DBR介质掩膜俯视图。图1D是本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件，其特征在于，发光器件自下而上依次有衬底（1）、三族氮化物成核层和缓冲层（2）、n型三族氮化物层（3）、图形化DBR介质掩膜组、选择区域生长的n型三族氮化物层（6）、三族氮化物有源层（7）、p型三族氮化物层（8）、露出p型三族氮化物层顶部的介质掩膜（9）、透明导电层（10）、p型电极（11）、顶部DBR介质膜组；其中图形化DBR介质掩膜组是由第一图形化DBR介质掩膜（4）或第二图形化DBR介质掩膜（5）构成，或由第一图形化DBR介质掩膜（4）和第二图形化DBR介质掩膜（5）周期性交替构成；其中顶部DBR介质膜组是由第一顶部DBR介质膜（13）或第二顶部DBR介质膜（14）构成，或由第一顶部DBR介质膜（13）和第二顶部DBR介质膜（14）周期性交替构成；上述带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件还包括n型电极（12），该n型电极（12）设置在衬底（1）底部或设置在n型三族氮化物层（3）上。

【技术特征摘要】
1.一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件，其特征在于，发光器件自下而上依次有衬底（1）、三族氮化物成核层和缓冲层（2）、n型三族氮化物层（3）、图形化DBR介质掩膜组、选择区域生长的n型三族氮化物层（6）、三族氮化物有源层（7）、p型三族氮化物层（8）、露出p型三族氮化物层顶部的介质掩膜（9）、透明导电层（10）、p型电极（11）、顶部DBR介质膜组；
其中图形化DBR介质掩膜组是由第一图形化DBR介质掩膜（4）或第二图形化DBR介质掩膜（5）构成，或由第一图形化DBR介质掩膜（4）和第二图形化DBR介质掩膜（5）周期性交替构成；
其中顶部DBR介质膜组是由第一顶部DBR介质膜（13）或第二顶部DBR介质膜（14）构成，或由第一顶部DBR介质膜（13）和第二顶部DBR介质膜（14）周期性交替构成；
上述带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件还包括n型电极（12），该n型电极（12）设置在衬底（1）底部或设置在n型三族氮化物层（3）上。
2.根据权利要求1所述的带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件，其特征在于，所述选择区域生长的n型三族氮化物（6）为六角截顶金字塔结构。
3.一种带有DBR掩膜的三族氮化物发光器件的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1：在衬底（1）上生长三族氮化物成核层和缓冲层（2）；
步骤2：在三族氮化物成核层和缓冲层（2）上生长n型三族氮化物层（3）；
步骤3：在n型三族氮化物层（3）上制备图形化DBR介质掩膜组，图形化DBR介质掩膜组是由第一图形化DBR介质掩膜（4）或第二图形化DBR介质掩膜（5）构成，或由第一图形化DBR介质掩膜（4）和第二图形化DBR介质掩膜（5）周期性交替构成；
步骤4：在上述图形化DBR介质掩膜组上选择区域生长n型三族氮化物层（6）；
步骤5：在选择区域生长的n型三族氮化物层（6）上生长三族氮化物有源层（7）；
步骤6：在三族氮化物有源层（7）上生长p型三族氮化物层（8）；
步骤7：制备露出p型三...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佰君，杨亿斌，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44