基于渐变AlGaN合金的深紫外布拉格反射镜外文翻译资料

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基于渐变AlGaN合金的深紫外布拉格反射镜

Gordie Brummer,^1,2,a) Denis Nothern,^2,3 A. Yu. Nikiforov,² and T. D. Moustakas^1,2,3,b)

¹Department of Electrical and Computer Engineering, Boston University, Boston, Massachusetts 02215, USA

²Photonics Center, Boston University, Boston, Massachusetts 02215, USA

³Division of Materials Science and Engineering, Boston University, Boston, Massachusetts 02215, USA

采用等离子体辅助分子束外延技术，在6H-SiC衬底上生长出峰值反射率在280 nm左右的分布布拉格反射镜(DBR)，使用传递矩阵法设计了方形、正弦形、三角形和锯齿形组分分布的DBR，使用(1015)倒易晶格点的高分辨x射线衍射研究了这些DBR的晶体结构，使用截面Z轴对比扫描透射电镜证实了DBR的组分的周期性。这些15.5周期的DBR的峰值反射率在77%-56%之间，对应的全宽在最大为17-14 nm的半波长范围内。耦合模态分析解释了反射率特性对渐变组分分布的依赖关系。

基于AlGaN合金的紫外光（UV）电子器件目前正在进行深入的工业应用研究，包括水/空气杀菌、表面消毒、自由空间等非视线通讯和生物/化学试剂的荧光鉴别。 正在进行研究的器件包括：紫外线发射二极管(LED)、激光器、探测器和电吸收调制器 。^1,2而适合于这类器件的衬底有蓝宝石、SiC和AlN。蓝宝石是一种透明、不膨胀的衬底，但是，它与AlGaN合金的晶格失配为13%-16%。，这就将导致高浓度的线缺陷。虽然AlN与AlGaN合金的晶格失配小，是一种较好的衬底，但它只能在较小的尺寸上使用，而且十分昂贵。SiC有许多优点，其中包括：其与AlN晶格失配小(1%)、热导率高、以及可作为n型和p型大面积晶片。然而，使用SiC衬底的器件，优点将会被其紫外吸收所限制。³

紫外光电子器件，尤其是吸收SiC亚态的紫外光电子器件，如果采用谐振腔的形式设计的话，例如谐振腔发光二极管、垂直腔面发射激光器、谐振腔探测器和非对称的Fabry-Perot电吸收调制器，将可以显著提高其效率。⁴这种谐振腔器件要求高反射率的分布式布拉格反射器(DBR)。但基于AlGaN合金双层膜传统的DBR的研究文献报道较少。例如，Moe等人报告了一个20周期的Al_0.58Ga_0.42N/AlN的DBR，它由金属-有机化学气相沉积(MOCVD)在SiC上生长，在278 nm处峰值反射率为83%。⁵类似地，Getty等人报告了在SiC衬底上使用分子束外延(MBE)生长的19.5周期Al_0.60Ga_0.40N/Al_0.95Ga_0.05N的DBR，在280nm处峰值反射率为80%。⁶最近，Franke等人报道了在蓝宝石上使用MOCVD生长的23.5周期AlN/Al_0.65Ga_0.35N的DBR，其在270 nm处的峰值反射率为96%。⁷

电抽运器件需要掺杂n型和p型的DBR。以往的报告中，所有的研究都是基于Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN或Al_xGa_1-xN/AlN的双层结构，其中杂质掺杂由于施主/受主活化能较高而效率低下。^8,9解决这一问题的方法之一是基于渐变Al_xGa_1-xN合金的DBR。在渐变AlGaN的合金中，自由电子和空穴密度由极化电荷产生的电场决定，而不是由添加剂的热激活决定。在渐变AlGaN的合金中，由于远距离移动载流子在固定极化电荷上的累积，将导致N型和P型掺杂。^10,11

本文的重点是在SiC衬底上的方形、正弦形、三角形和锯齿形AlGaN组分分布的DBR的MBE生长、结构表征和反射率特性，如图1所示。对于这样基于AlGaN 的DBR，p型和n型极化掺杂都存在于每个周期中，这使得其输运形式类似于长周期掺杂超晶格。¹²

采用传递矩阵法(TMM)模拟反射率特性，¹³在这种形式下，DBR被建模为一系列的界面和传播区域，每个都被认为是一个2times;2矩阵。通过单独膜层的矩阵乘法计算整个DBR的反射和透射特性。该方法可用于任何入射角和光学偏振，只需知道所需的光学常数和层厚。Al_xGa_1-xN合金的光学常数近似于Goldhahn等人提出的模型，该模型给出了复介电常数随波长和AlGaN组成的变化而变化解析表达式。¹⁴该模型是基于MOCVD生长的块状AlGaN中的椭圆偏振光数据建立的，因此，预计我们的MBE生长的薄膜的光学常数会略有偏差。椭圆偏振光测量所给出的我们的MBE生长的Al_0.50Ga_0.50N在基波隙附近的波长的折射指数比Goldhahn模型大约低3%。我们采用椭圆偏振法测量SiC衬底的光学常数，在测量能量依赖的复光学常数时，考虑了吸收和色散，而却忽略了AlGaN和SiC的双折射。

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渐变AlGaN的层数由一系列厚度较薄、均匀的AlGaN亚层(相同的光学常数)组成，并与特定的渐变分布相一致，其充分地利用了薄层，使模拟的反射率谱不会随薄层的变化而变化。利用该模型，对于所有的组分分布，确定了在280 nm处反射峰的周期DBR的层厚度应为59 nm左右(见图1)。

图2 DBR在AlGaN(1015)倒易格点(颜色在对数尺度上)附近的非对称倒易晶格映射图。

在每个倒易格图的右边是沿DBR的峰(线性尺度)的强度线扫描，序列峰间距表明了每个DBR的空间周期性。不同DBR的卫星条纹的相对幅值不同，表明其有不同的Al组分分布。测得的晶格常数与预期晶格常数之间的微小偏差可能是由于衍射仪零角的微小差异所致，这并不影响DBR散射的周期性。

在Veeco GEN-II型MBE系统中，利用射频等离子体辅助的MBE法生长DBR，采用功率为300W、流量1.2 sccm的Veeco单球射频等离子体源，实现了氮气的活化。1cm²的同轴6H-SiC晶片脱脂，基片未经掺杂，在3：1的H₂SO₄:H₂O₂溶液中和HF中进行刻蚀。镍是通过电子束蒸发沉积在衬底的背面(C面)，以InGa焊料协助键合到硅载体晶片(也涂有镍)上。最后，对MBE生长过程中的衬底进行了多次Ga沉积和蒸发清洗。在SiC的Si表面上依次沉积Al，并将其暴露于氮气等离子体中，从而生长出3nm的AlN缓冲层。这种氮化形成了一层光滑的AlN层，并由一条条状反射高能电子衍射图证实了这一点。DBR在稍富Ga的条件下开始生长，在这种生长条件下，用Al生长的具有金属极性取向的AlGaN的化学计量由Al的通量所决定。¹⁵根据预先设定的熔剂温度关系，在生长过程中通过不断调节铝液胞内的温度，来生长出特殊的铝组分分布。

图1 （a）方形、（b）正弦型、（c）三角形、（d）锯齿形渐变AlGaN组分DBR简图。

每个DBR有15个周期和一个额外的周期以确保有适当的相位。

使用此工序，生长了方形、正弦形、三角形和锯齿形铝组分分布的DBR，如图1所示。所有DBR的Al组分范围从Al_0.50Ga_0.50N到Al_0.85Ga_0.15N。每个DBR包含15个周期以及一个在顶部生长的额外部分周期。这一部分周期是被要求以确保DBR与(空气/DBR)及(DBR/SiC)末端终止的有适当的相位。^13,16这部分周期厚度由上述TMM模型确定，方形、正弦形、三

角形和锯齿形组分分布的DBR的厚度分别为完整周期的0.5、0.25、0.25和0.4（见图1）。

使用Bruker D8 Discover高分辨X射线衍射(HRXRD)系统对DBR进行x射线衍射研究，使用的是铜K_alpha;1辐射线lambda;=0.15406nm）。图2展示出了DBR围绕AlGaN(1015)倒数点阵点的倒数空间映射(RSM)。每个RSM中的强点类峰来自衬底6H-SiC衬底，而DBR的衍射则沿q_[000l]轴形成卫星峰。在方形组分分布的DBR RSM上，强卫星峰在q_[000l]的高低值分别对应于高铝和低铝含量的AlGaN。DBR峰被SiC峰替换，DBR与其自身相干，而与SiC衬底无关。沿着q_[000l]轴、通过DBR峰的线扫被描绘制在每个RSM旁。卫星峰的相对强度取决于描述c轴上周期散射功率和c面晶格位移变化的Fourier分量，这两者都取决于渐变铝的功能形式。¹⁷如图2所示，四种DBR的相对强度不同，说明它们各自的组分分布是独一无二的。从卫星峰的间距来看，方形、正弦波、三角形和锯齿形组分分布的DBR的周期厚度分别为59nm、58nm、58nm和59 nm。通过Z轴对比扫描透射电镜(TEM)测量证实其周期厚度约为60 nm，如图3所示，方形组分分布DBR的周期厚度为60 nm，此图像是在200 kV FEI Osiris TEM/STEM上获得的。

使用AgilentCARY 5000分光光度计、入射模块为8度角测量了DBR的反射光谱。用深紫外增强铝镜将DBR反射信号归一化为光源光谱，假设在深紫外线下其反射率为85%，这些DBR的反射光谱与入射角为8°的入射光的偏振化有关，光源的光是无偏振的，因此模型假定反射光是等分的s偏振光和p偏振光。

图4给出了实测和理论预测的反射率谱。方形和锯齿形组分分布DBR的反射峰值分别位于285 nm和283 nm处，强度分别为77%和56%，而正弦形和三角形组分分布的DBR的反射峰值出现在 279nm和277nm，强度分别为68%和65%。观察到的微小红移预计是由于X射线衍射测得的方形和锯齿形组分分布DBR有更长周期长度而造成的。

图3 方形组分分布DBR的横截面Z轴对比扫描透射电镜图。

该图像显示了6H-SiC衬底和全部的15.5层DBR。

我们把模拟光谱和实测光谱之间的小差异归因于AlGaN的光学常数。DBR反射峰接近AlGaN基吸收边，此处光学常数随波长的变化而迅速变化(反常色散)。每种合金成分的这种变化的确切功能形式取决于基带隙周围的吸收过程，在能量低于基带隙的能量吸收可能是由于组分波动引起的，这个现象已知发生在过量Ga环境下生长的AlGaN中。^18,19AlGaN的光学常数也受各个周期极化电荷的电场的影响，类似于氮化物基LED中的量子受限Stark效应，因此，Franz-Keldysh效应为子带隙吸收引入了一个额外的途径。此外，强电场还能抑制激子吸收共振，以减少它们对AlGaN的介电函数的贡献，¹⁴考虑到这些结构的复杂性，TMM对DBR的折射率谱进行了非常好的模拟。

耦合分析可以用来分析反射率特征对组分渐变分布的依赖性。^13,16,20在此框架内，入射光和反射光被沿DBR的轴的介电函数（）的周期扰动所耦合，而介电函数（）沿DBR的轴的周期扰动由铝组成分布决定。耦合的强度决定了反射光谱的峰值和半峰全宽（FWHM）。它是由耦合系数来量化的，在垂直入射下，由以下关系式给出:

图4 方形、正弦型、三角形和锯齿形组分分布DBR的反射光谱.