CN101359805A - 780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，包括：将衬底放入低压金属有机化学气相沉积系统的反应室中，外延生长前将反应室升温、降压；分别以III族金属有机源和V族氢化物源作为先驱源，由载气带动进入反应室，在N型镓砷衬底上依次外延生长缓冲层、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层；在上包层上生长P型镓铟磷层，该P型镓铟磷层起缓冲层的作用并且用来抑制铝向欧姆接触层的扩散；在P型镓铟磷层上生长欧姆接触层；关闭载气和所有先驱源，充入氮气，并将反应室升压；将反应室降温，外延片在反应室中进行退火；将外延片从反应室中取出，完成外延片的制作。
Description
技术领域
本发明涉及金属有机化学气相沉积(MOCVDMetalorganic Chemical Vapor-Phase Deposition)技术领域，特别是一种780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法。
背景技术
780nm～850nm大功率半导体激光器在军事、医疗和通讯信息领域有着非常广泛的应用和市场需求，例如808nm大功率量子阱半导体激光器是Nd:YAG固体激光器理想的高效泵浦光源。该波段的大功率半导体激光器所采用无铝材料系统可以是无应变或压应变InGaAsP/GaInP/AlGaInP/GaAs或张应变GaAsP/GaInP/AlGaInP/GaAs体系。无铝材料的采用避免了含铝材料易氧化的缺点，所制备的器件腔面光学损伤阈值高，可靠性好，寿命长，因而已成为一个国际研究热点。高质量的外延材料是实现高性能激光器结构的根本保证，目前商用制备高功率半导体激光器结构的外延方法主要有金属有机化学气相沉积(MOCVDMetalorganic Chemical Vapor-Phase Deposition)法和分子束外延(MBE Molecular-Beam Epitaxy)法，而MOCVD方法更适用于含磷材料的生长和进行大批量生产。在MOCVD生长过程中，因为(铝)镓铟磷材料存在有序化生长问题，一般认为采用带偏角衬底，比如在(100)面偏向<111>A 15°镓砷衬底生长外延层可以显著减小其有序度，而(铟)镓砷磷材料则适合于在(100)方向无偏角的衬底上生长，因此必须综合考虑两种材料，优化激光器结构的外延生长条件；另外，MOCVD法生长(铟)镓砷磷/镓铟磷材料时，由于三甲基铟的饱和蒸汽压很高，会在上面的外延层上出现铟的记忆效应(indium carry over effect)，容易产生不希望的夹层，影响陡峭界面的获得，使器件的电学和光学性质改变。
为了兼顾(铝)镓铟磷和(铟)镓砷磷两种材料对衬底偏向角的选择，通常的解决方案是选择(100)偏[110]方向，或者(100)偏<111>A 2°～7°的N型镓砷衬底生长激光器结构。但是，因为激光器自然谐振腔面为[110]面，选择(100)偏[110]方向衬底的偏向角度就受到很大限制，而选择(100)偏<111>A 2°～7°的镓砷衬底，(铝)镓铟磷材料仍会出现部分有序，影响器件的性能。为解决不希望存在的中间层，现有的方法是采取预生长一层磷化镓过渡层来缓解铟的记忆效应，然而在具有大体积反应室的MOCVD系统中，这个方案不足以完全抑制铟的记忆效应。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，该生长方法易于得到陡峭的异质结界面，降低有源层非辐射复合中心，减小晶格失配，提高外延层的晶体质量。相对于无偏角或低偏角衬底，由该方法生长的铝镓铟磷包层具有更高的带隙，因而能更好的限制载流子泄漏。采用常规无铝有源区大功率半导体激光器的管芯制备工艺，所制备的管芯具有更低的阈值电流密度、更高的斜率效率，而且有助于改善器件温度特性。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将衬底放入低压金属有机化学气相沉积系统的反应室中，外延生长前将反应室升温、降压；
步骤2：分别以III族金属有机源和V族氢化物源作为先驱源，由载气带动进入反应室，在N型镓砷衬底上依次外延生长缓冲层、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层；
步骤3：在上包层上生长P型镓铟磷层，该P型镓铟磷层起缓冲层的作用并且用来抑制铝向欧姆接触层的扩散；
步骤4：在P型镓铟磷层上生长欧姆接触层；
步骤5：关闭载气和所有先驱源，充入氮气，并将反应室升压；
步骤6：将反应室降温，外延片在反应室中进行退火；
步骤7：将外延片从反应室中取出，完成外延片的制作。
其中所述的衬底是高偏角镓砷(100)面偏<111>A 10°～15°的N型衬底，用以减小外延生长中的氧玷污，减小铟的记忆效应、获得陡峭的界面质量，并且提高P型包层的掺杂浓度。
其中所述的采用低压金属有机化学气相沉积系统中的反应室，为低压反应室，外延生长前将其压力降低到6kPa～10kPa。
其中所述的外延生长前将反应室做预升温，其温度在700℃～740℃。
其中所述的缓冲层为N型镓铟磷。
其中所述的下包层的材料为N型铝镓铟磷。
其中所述的下波导层为非故意掺杂的镓铟磷。
其中所述的有源层为非故意掺杂的(铟)镓砷磷量子阱。
其中所述的上波导层为非故意掺杂的镓铟磷。
其中所述的上包层为P型铝镓铟磷。
其中所述的欧姆接触层为P型重掺杂的镓砷。
其中所述的III族金属有机源为三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝，V族氢化物源为100％的磷烷和砷烷。
其中所述的载气为经过钯管纯化的氢气，气体总流量为50L/min～60L/min。
其中所述的量子阱有源层为非故意掺杂的(铟)镓砷磷单量子阱，生长该量子阱的V/III比为350～450，生长速率为2μm/h～4μm/h。
其中所述的有源层14的厚度为12nm～17nm。
其中所述的在下波导层上生长有源层时，保持反应室压力、温度不变，进行连续生长，以消除间断生长对外延层的晶格质量和表面形貌的影响。
其中向反应室充入氮气，并将反应室升压到一个大气压。
其中所述的退火，是将外延片留在反应室中在氮气气氛中退火，退火温度由650℃降低到室温。
本发明的780～850nm无铝激光器外延片的生长方法，容易在现有的MOCVD外延设备上实现，所生长外延片的室温光荧光(PL)谱具有更高的强度和更窄的半高宽；同时各层之间晶格匹配更好；采用(100)偏向<111>A 10°～15°衬底，有利于减小铝镓铟磷层的氧沾污，而且可提高掺杂剂锌原子的并入，获得较高的P型掺杂浓度；另外，铟在高偏向角衬底中很难并入下一外延层，从而足以减小铟的记忆效应，获得陡峭的异质结界面；外延片质量的提高改善了器件的性能，使铝镓铟磷包层对载流子的限制增强，阈值电流减小，电光效率得到提高，器件的温度特性也能由此得到改善。
附图说明
以下通过结合附图对具体实施例的详细描述，进一步说明本发明的技术特点，其中：
图1是780nm～850nm无铝激光器外延片的生长结构示意图。
图2是采用本发明和现有采用低偏角衬底生长的外延片室温光荧光谱比较。
图3是采用本发明与现有采用低偏角衬底生长的外延片的高分辨双晶衍射测试图比较，图3(a)、(b)、(c)分别是采用(100)面偏<111>A 6°、10°和15°偏角的衬底。
图4是采用由本发明在(100)面偏<111>A10°和15°的N型镓砷衬底上生长的外延片所制备的未镀膜管芯的光-电流特性。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将衬底10放入低压金属有机化学气相沉积系统的反应室中，外延生长前将反应室升温、降压；其中所述的衬底10是高偏角镓砷(100)面偏<111>A 10°～15°的N型衬底，用以减小外延生长中的氧玷污，减小铟的记忆效应、获得陡峭的界面质量，并且提高P型包层的掺杂浓度；其中所述的采用低压金属有机化学气相沉积系统中的反应室，为低压反应室，外延生长前将其压力降低到6kPa～10kPa；其所述的外延生长前将反应室做预升温，其温度在700℃～740℃；
步骤2：分别以III族金属有机源和V族氢化物源作为先驱源，由载气带动进入反应室，在N型镓砷衬底10上依次外延生长缓冲层11、下包层12、下波导层13、有源层14、上波导层15、上包层16；该缓冲层11为N型镓铟磷、该下包层12的材料为N型铝镓铟磷、该下波导层13为非故意掺杂的镓铟磷、该有源层14为非故意掺杂的(铟)镓砷磷量子阱、该上波导层15为非故意掺杂的镓铟磷、该上包层16为P型铝镓铟磷；其中所述的III族金属有机源为三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝，V族氢化物源为100％的磷烷和砷烷；其中所述的载气为经过钯管纯化的氢气，气体总流量为50L/min～60L/min；其中所述的有源层14为非故意掺杂的(铟)镓砷磷单量子阱，生长该量子阱的V/III比为350～450，生长速率为2μm/h～4μm/h，该有源层14的厚度为12nm～17nm；
其中所述的在下波导层13上生长有源层14时，保持反应室压力、温度不变，进行连续生长，以消除间断生长对外延层的晶格质量和表面形貌的影响；
步骤3：在上包层16上生长P型镓铟磷层17，该P型镓铟磷层17起缓冲层的作用并且用来抑制铝向欧姆接触层的扩散；
步骤4：在P型镓铟磷层17上生长欧姆接触层18，该欧姆接触层18为P型重掺杂的镓砷；
步骤5：关闭载气和所有先驱源，充入氮气，并将反应室升压到一个大气压；
步骤6：将反应室降温，外延片在反应室中进行退火，是将外延片留在反应室中在氮气气氛中退火，退火温度由650℃降低到室温；
步骤7：将外延片从反应室中取出，完成外延片的制作。
实施例1：
采用本发明的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，以外延生长激射波长为808nm的高质量无铝半导体激光器外延片为一具体实施方式例，并测试了其室温光荧光谱和双晶X射线衍射。具体实施方案如下所述：
1)取衬底10三片，该三片衬底为(100)面各偏向<111>A 6°、10°和15°方向N型镓砷衬底，其掺杂浓度均为0.8×1018～4×1018cm-3；
2)将上述三片N型镓砷衬底10放入多片金属有机化学气相沉积系统，在同一外延批次中进行无铝激光器结构的外延生长。预先将反应室压力降低到6kPa～10kPa，反应室温度升高到700℃～740℃。
3)以经过钯管纯化的氢气作为载气，气体总流量为50L/min。以三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝为III族源，100％的磷烷为V族源，2％的硅烷为N型掺杂剂，在载气带动下进入反应室，在N型镓砷衬底10上生长缓冲层11，该缓冲层为N型镓铟磷缓冲层，其厚度为200nm；
4)接着在缓冲层11上生长下包层12，该下包层为N型铝镓铟磷下包层，其掺杂浓度为1×1018～2×1018cm-3，厚度为0.55um；
5)接着关闭N型掺杂剂(硅烷)源，在下包层12上生长非故意掺杂的镓铟磷下波导层13，该下波导层为镓铟磷下波导层，其厚度为112.5nm；
6)紧接着保持反应室温度不变，以三甲基镓和三甲基铟为III族源，100％的磷烷和砷烷为V族源，在下波导层13上生长非故意掺杂的有源层14，该有源层为镓砷磷张应变单量子阱有源层，其厚度为16nm，其V/III比为400，生长速率为2μm/h～4μm/h，进行连续生长的目的是消除间断生长对外延层的晶格质量和表面形貌的影响；
7)随后，再以三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝为III族源，100％的磷烷为V族源，在有源层14上生长非故意掺杂的上波导层15，该上波导层为镓铟磷上波导层，其厚度为112.5nm；
8)开P型掺杂剂(二甲基锌)源，在上波导层15上生长上包层16，该上包层为P型铝镓铟磷上包层，其掺杂浓度为1×1018～2×1018cm-3，厚度为0.55um；
9)接着在上包层16上生长P型镓铟磷层17，该P型镓铟磷层的厚度为50nm，用来起缓冲层的作用并且减少铝向欧姆接触层的扩散；
10)最后将反应室温度降低到650℃左右，在P型镓铟磷层17上生长欧姆接触层18，该欧姆接触层为镓砷欧姆接触层，其P型重掺杂浓度为0.5～1.5×1020cm-3，厚度为250nm；
11)关闭载气和所有先驱源，通入氮气，并反应室压力升高到一个大气压；
12)将反应室温度降低到室温，外延片留在反应室中退火；
13)从反应室中取出外延片，完成外延片的制作。
外延片的室温光荧光(PL)谱和双晶X射线衍射(DCXRD)ω/2θ联动摇摆曲线测试结果分别如附图2、图3所示。外延片的PL谱和DCXRD测试结果直接与外延层的晶格质量有关，将图2、图3不同偏角衬底测试结果列于表1以便比较。由表1可见，6°、10°和15°衬底的室温PL谱强度依次增强，半高宽依次减小，另外，峰值波长出现了红移，是因为在6°、10°和15°衬底上生长镓砷磷有源层的生长速率依次增大，量子阱宽度也依次增大，从而量子限制效应依次减小；限制层和包层的外延峰晶格失配度依次减小，而且外延峰的半宽依次减小。图2和图3说明采用高偏角衬底，即(100)面偏向<111>A 10°～15°的N型镓砷衬底生长的(铟)镓砷磷量子阱有源层的晶格质量不但不受高偏角的影响，而且与低偏角衬底相比，具有更高的辐射复合效率和更陡峭的异质结界面；另外，限制层和包层也都具有更高的结晶质量，而且铝镓铟磷包层的带隙更高，对载流子的限制增强，从而可以减小器件的阈值电流，提高电光转换效率，器件的温度特性也能由此得到改善。
表1：附图2、图3不同偏角衬底测试结果比较
实施例2：
采用本发明的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，以外延生长激射波长为830nm的无铝半导体激光器外延片为一具体实施方式例，并用其制备无铝半导体激光器，从管芯性能判断出外延片具有较高的晶体质量。具体实施方案如下所述：
1)取衬底10两片，该两片衬底为(100)面各偏向<111>A 10°和15°方向的N型镓砷衬底，其掺杂浓度均为0.8×1018～4×1018cm-3；
2)将上述两片N型镓砷衬底10放入多片金属有机化学气相沉积系统，在同一外延批次中进行无铝激光器结构的外延生长。预先将反应室压力降低到6kPa～10kPa，反应室温度升高到700℃～740℃。
3)以经过钯管纯化的氢气作为载气，气体总流量为50L/min。以三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝为III族源，100％的磷烷为V族源，2％的硅烷为N型掺杂剂，在载气带动下进入反应室，在N型镓砷衬底10上生长缓冲层11，该缓冲层为N型镓铟磷缓冲层，其厚度为400nm；
4)接着在缓冲层11上生长下包层12，该下包层为N型铝镓铟磷下包层，其掺杂浓度为1×1018～2×1018cm-3，厚度为1.1um；
5)接着关闭N型掺杂剂(硅烷)源，在下包层12上生长非故意掺杂的下波导层13，该下波导层为镓铟磷下波导层，其厚度为450nm；
6)紧接着保持反应室温度不变，以三甲基镓和三甲基铟为III族源，100％的磷烷和砷烷为V族源，在下波导层13上生长非故意掺杂的有源层14，该有源层为镓砷磷张应变单量子阱有源层，其厚度为15nm，其V/III比为440，生长速率为2～4μm/h，进行连续生长的目的是消除间断生长对外延层的晶格质量和表面形貌的影响；
7)随后，再以三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝为III族源，100％的磷烷为V族源，在量子阱有源层14上生长非故意掺杂的上波导层15，该上波导层为镓铟磷上波导层，其厚度为450nm；
8)开P型掺杂剂(二甲基锌)源，在上波导层15上生长上包层16，该上包层为P型铝镓铟磷上包层，其掺杂浓度为1×1018～2×101cm-3，厚度为1.1um；
9)接着在上包层16上生长P型镓铟磷层17，该P型镓铟磷层的厚度为80nm，该层起缓冲层的作用并且用来减少铝向欧姆接触层的扩散；
10)最后将反应室温度降低到650℃左右，在P型镓铟磷层17上生长的欧姆接触层18，该欧姆接触层为镓砷欧姆接触层，其P型重掺杂浓度为0.5～1.5×1020cm-3，厚度为250nm。
11)关闭载气和所有先驱源，通入氮气，并将反应室压力升高到一个大气压；
12)将反应室温度降低到室温，外延片留在反应室中退火；
13)从反应室中取出外延片，完成外延片的制作。
由外延片制备的150μm条宽，900μm腔长的未镀膜激光器管芯的光-电流特性如附图4所示，由图可见，用在(100)面偏向<111>A 15°衬底上生长的外延片制备的管芯显示出更好的光-电流特性，其阈值电流为500mA，单面斜率效率高达到0.62W/A。
本发明由上述实施例揭露如上，任何相似的结构变化均应包含在本发明的权利要求中。
Claims (18)
1、一种780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将衬底放入低压金属有机化学气相沉积系统的反应室中，外延生长前将反应室升温、降压；
步骤2：分别以III族金属有机源和V族氢化物源作为先驱源，由载气带动进入反应室，在N型镓砷衬底上依次外延生长缓冲层、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层；
步骤3：在上包层上生长P型镓铟磷层，该P型镓铟磷层起缓冲层的作用并且用来抑制铝向欧姆接触层的扩散；
步骤4：在P型镓铟磷层上生长欧姆接触层；
步骤5：关闭载气和所有先驱源，充入氮气，并将反应室升压；
步骤6：将反应室降温，外延片在反应室中进行退火；
步骤7：将外延片从反应室中取出，完成外延片的制作。
2、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的衬底是高偏角镓砷(100)面偏<111>A10°～15°的N型衬底，用以减小外延生长中的氧玷污，减小铟的记忆效应、获得陡峭的界面质量，并且提高P型包层的掺杂浓度。
3、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的采用低压金属有机化学气相沉积系统中的反应室，为低压反应室，外延生长前将其压力降低到6kPa～10kPa。
4、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的外延生长前将反应室做预升温，其温度在700℃～740℃。
5、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的缓冲层为N型镓铟磷。
6、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的下包层的材料为N型铝镓铟磷。
7、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的下波导层为非故意掺杂的镓铟磷。
8、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的有源层为非故意掺杂的(铟)镓砷磷量子阱。
9、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的上波导层为非故意掺杂的镓铟磷。
10、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的上包层为P型铝镓铟磷。
11、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的欧姆接触层为P型重掺杂的镓砷。
12、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的III族金属有机源为三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝，V族氢化物源为100％的磷烷和砷烷。
13、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的载气为经过钯管纯化的氢气，气体总流量为50L/min～60L/min。
14、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的量子阱有源层为非故意掺杂的(铟)镓砷磷单量子阱，生长该量子阱的V/III比为350～450，生长速率为2μm/h～4μm/h。
15、根据权利要求1或7所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的有源层14的厚度为12nm～17nm。
16、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的在下波导层上生长有源层时，保持反应室压力、温度不变，进行连续生长，以消除间断生长对外延层的晶格质量和表面形貌的影响。
17、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中向反应室充入氮气，并将反应室升压到一个大气压。
18、根据权利要求1所述的780nm～850nm无铝激光器外延片的生长方法，其特征在于，其中所述的退火，是将外延片留在反应室中在氮气气氛中退火，退火温度由650℃降低到室温。
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- 2007-08-02 CN CNA2007101198679A patent/CN101359805A/zh active Pending
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| CN102575378A (zh) * | 2009-10-14 | 2012-07-11 | 埃尔塔设备公司 | Iii/v族材料的高生长速率沉积 |
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Open date: 20090204 |