CN103368072B - 一种对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法。利用MOCVD设备，将激光器放入反应室中，反应室升温至200℃～350℃时通AsH3，当温度达到400℃时再通入二甲基锌进行腔面扩散，当温度升至450℃～650℃保持20min～70min，在15min～30min内降温至150℃～300℃进行退火；当反应室温度下降至100℃以下时，Zn扩散完毕。本发明的方法Zn扩散均匀、易于控制并且产能较大，一次可以完成数十片激光器Zn扩散，并且进行Zn扩散制作非吸收窗口的激光器输出功率比闭管扩Zn的激光器功率提高10％。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，属于半导体技术领域。
背景技术
AlGaInP四元材料系红光半导体激光器体积小、重量轻、能耗少，此类器件广泛应用于光盘刻录、信息存储、条码扫描、激光测距、气体检测及医疗器械等领域。为了应对市场对激光器输出功率的要求，通过优化激光器的材料、器件结构和制作工艺来提高激光器输出功率成为本领域研究的技术热点。
AlGaInP材料热导率及导带差，价带差较低的带隙差别，对AlGaInP/GaInP材料半导体激光器的输出功率和微分量子效率以及最大输出功率有较大的影响。而且，半导体激光器的最大输出功率还受到激光器端面的光学灾变损伤的限制。当半导体激光器腔面光密度达到阈值时，就会吸收光子，产生热，使得腔面部分的带隙收缩变窄，而这样更容易吸收光子，产生更多的热量，如此反复，就会烧坏腔面，产生光学灾变损伤。
而利用AlGaInP/GaInP材料的量子阱混杂技术可以方便地在红光半导体激光器的腔面处制作非吸收窗口来提高输出功率和器件寿命，降低光学灾变损伤。从理论上讲，完成量子阱混杂的手段大致有五类：离子注入、高温退火、杂质扩散、无杂质空位扩散、激光诱导混杂。在这五种量子阱混杂技术中利用杂质扩散诱导量子阱混杂这一方法优势更为明显：其应用到器件制作中的实验温度(400℃～650℃)远低于快速高温退火诱导无序的温度(800℃～1000℃)，并且相对于以上其他四种量子阱混杂工艺相对简单、易于操作，成本较低。在众多扩散杂质中，利用Zn原子在GaAs系材料中扩散速度较快的优点，广泛作为杂质扩散诱导源来使用(如图1)。具体原理为一定温度下Zn扩散产生的缺陷移动导致量子阱中阱材料和垒材料组分互扩散，量子阱带隙平滑并产生蓝移，使半导体激光器腔面部分带隙变大，形成对出射光不吸收的透明区域，这将大大增加激光器的光学灾变损伤阈值从而提高激光器输出功率。
目前国内对AlGaInP/GaInP半导体激光器进行Zn杂质扩散通常是采用闭管扩散的方式来进行，选择的扩散源是ZnAs。将ZnAs和激光器放入特制的石英管内，抽成真空后进行密封。扩散时，样品与扩散源分别置于石英管的两端并固定两者位置，再将石英管放入扩散炉内(如图2)。但是闭管扩散方式进行Zn扩散由于其受硬件条件限制，无法对扩散过程进行精确控制，导致其无法满足大规模生产及商业化的需要。
中国专利文件CN102263162A中提到了一种倒装焊结构雪崩光电二极管及其阵列的制备方法，该专利的主要技术方案是在外延层上进行Zn扩散用于制备外延层中的P-N结来实现雪崩二极管的制作。虽然MOCVD技术迅猛发展，但是由于其运行成本及操作难度，目前还多采用传统的闭管扩散的方式(图2)来制作半导体激光器非吸收窗口。
发明内容
针对红光半导体激光器采用闭管方式进行Zn扩散的现有技术中存在的工艺参数无法精确控制并且无法实现大规模量产的问题，本发明提供一种基于MOCVD的对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，利用Zn扩散至量子阱后实现激光器腔面带隙的变化以此制作非吸收窗口，来提高激光器输出功率。
术语解释：
1、DMZn：中文名二甲基锌，分子式Zn(CH3)2，多用于外延生长、化学气相沉淀中作为掺杂剂。
2、MOCVD：金属有机化学气相沉积，MOCVD法是半导体化合物生长的常规技术。MOCVD设备主要包括六大系统：气体输运系统、源供给系统、反应室和加热系统、尾气处理系统、安全控制系统、计算机控制系统。MOCVD设备为半导体技术领域常用设备。
3、激光器腔面：半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。谐振腔结构示意图(如图4)。
4、光致发光(PL)谱测试：其原理为以光作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发光的过程，通过出光来测试光谱波长及强度。
本发明的技术方案如下：
一种基于金属有机化学气相沉积法对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，所述的红光半导体激光器结构包括GaAs衬底，GaAs缓冲层，n-型限制层，N区本征波导层，多量子阱有源区，P区本征波导层，p-型限制层，GaInP，p-型GaAs欧姆接触层，氧化硅绝缘层，P面电极，在平行于激光器腔面方向光刻并腐蚀部分氧化硅绝缘层，露出的激光器腔面即为Zn扩散区域；步骤如下：
(1)将所述激光器放入MOCVD反应室中，将反应室升温至200℃～350℃时，通入100sccm～200sccm的AsH3；继续升温，
(2)当反应室温度达到400℃时再通入5sccm～40sccm的二甲基锌(DMZn)进行腔面扩散，升温至450℃～650℃保持20min～70min；然后，
(3)将反应室温度在15min～30min内下降至150℃～300℃，进行退火；当温度下降至200℃时停止通入二甲基锌(DMZn)和AsH3；
(4)当反应室温度下降至100℃以下时，Zn扩散完毕。
根据本发明优选的，步骤(2)中，当升温至450℃～650℃保持恒温20min～70min期间内，保持AsH3通入不变，二甲基锌通入采用间隔5-10min的断续通入方式。采用这种方式可保证DMZn的扩散效率的同时减少Zn源在激光器内部的掺杂浓度，进一步提高激光器输出稳定性。
根据本发明优选的，步骤(2)中，通入10sccm～25sccm的二甲基锌(DMZn)进行腔面扩散，升温至450℃～600℃保持40min～60min。
根据本发明，在MOCVD反应室内进行扩Zn时的工艺条件如下：
反应室压力：250～650mbar，
扩散温度：400～650℃，
背景H2流量：150-500sccm，
有机金属源DMZn温度：10～28℃，有机金属源优选为99.9999％的高纯DMZn，
AsH3气体是为99.9995％的高纯AsH3，
载气优选99.999％的高纯氢气经纯化器纯化为99.9999999％的超高纯氢气。
本发明的红光半导体激光器优选是AlGaInP/GaInP外延片的激光器，特别优选650nmAlGaInP/GaInP半导体激光器。
基于650nm AlGaInP/GaInP外延片的激光器，结构是衬底为掺Si的50.8mmGaAs(掺杂原子浓度为1E18个原子/cm3-3E18个原子/cm3)，外延结构依次为：0.5微米掺硅GaAs缓冲层(掺杂原子浓度为1E18个原子/cm3)；11微米n-型Al0.5In0.5P限制层(掺杂原子数浓度为1E18个原子/cm3)；0.2微米N区本征(AlxGa1-x)0.5In0.5P波导层；本征压应变AlGaInP/GaInP多量子阱有源区，0.2微米P区本征(AlxGa1-x)0.5In0.5P波导层；1.1微米p-型Al0.5In0.5P限制层(掺杂原子数浓度为1E18个原子/cm3)；0.1微米GaInP，0.2微米p-型GaAs欧姆接触层。
另一个可供优选的方案是，根据上述的本发明的红光半导体激光器，其特征在于，外延层结构中，在缓冲层和n-型限制层之间增加GaInP层保证晶格过渡的稳定性。
本发明的方法Zn扩散均匀性好，MOCVD反应室扩散气流分布如图3所示。
本发明的有益效果：
本发明改变现有闭管方式进行Zn扩散的方法，利用MOCVD设备一次性可扩散激光器49片，并且本方法进行Zn扩散制作非吸收窗口的激光器输出功率比闭管扩Zn的提高10％。
本发明提出了利用MOCVD对红光半导体激光器，特别是对AlGaInP/GaInP半导体激光器进行扩散的制备方法，相对于采用闭管进行Zn扩散的方式而言，利用MOCVD设备进行AlGaInP/GaInP半导体激光器扩散的方法，优势比较明显，首先是扩散过程易于控制，各项工艺参数可控性较高；扩散均匀性良好，并且有利于Zn扩散大规模量产以降低成本，为激光器进行Zn扩散商业化提供了可能性。由于AlGaInP/GaInP半导体激光器表面为p-GaAs欧姆接触层，为了防止在扩Zn过程中由于高温导致p-GaAs热分解影响激光器结构，本发明通入AsH3对p-GaAs欧姆接触层进行保护。本发明利用MOCVD进行Zn扩散制备的AlGaInP/GaInP半导体激光器可广泛应用于激光照明、舞台灯光及医疗器械等领域。
附图说明
图1是腔面扩Zn透明窗口的第一次光刻后激光器结构示意图。
图2是石英管进行Zn扩散的示意图。
图3是本发明的MOCVD反应室扩散气流示意图。
图4是激光器谐振腔腔面及出光面示意图。
图5是本发明实施例1采用的650nm激光器扩Zn前PL谱波长测试图，扩Zn前普通650nm激光器的平均波长在638nm～640nm左右。
图6是本发明实施例1扩Zn后的650nm激光器PL谱波长测试图，扩Zn后激光器波长平均蓝移50nm，说明激光器腔面带隙变大，成为非吸收窗口。
图中，1、P面电极，2、氧化硅绝缘层，3、P型GaAs欧姆接触层，4、GaInP，5、P型AlInP限制层，6、P区本征AlGaInP波导层，7、AlGaInP/GaInP有源区，8、N区本征AlGaInP波导层，9、N-AlInP限制层，10、GaAs缓冲层，11、GaAs衬底，12、N面电极，13、Zn扩散区域，14、密封石英管，15、扩Zn样片，16、扩散源ZnAs，17、AsH3注入口，18、DMZn源注入口，19、托盘，20、扩Zn用激光器，21、P区，22、N区，23、解理面，24、出光面。
具体实施方式
实施例中对激光器进行Zn扩散，利用德国AIXTRON系列49×2″MOCVD设备完成，该MOCVD产能大。在MOCVD反应室内进行扩Zn时的工艺条件如下：
反应室压力：250～600mbar，
扩散温度：400～650℃，
背景H2流量：150-500sccm，
有机金属源DMZn温度10～28℃，DMZn为99.9999％的高纯DMZn，
AsH3是99.9995％的高纯AsH3，载气是经纯化器纯化的99.9999999％的超高纯氢气。
实施例中的红光半导体激光器是基于650nmAlGaInP/GaInP外延片的激光器。
实施例1：
利用MOCVD对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，步骤如下：
步骤1、利用MOCVD在半导体衬底上沉积外延层，所述外延层包括：缓冲层、n-型限制层、N区本征波导层、本征压应变多量子阱有源区、P区本征波导层、p-型限制层、GaInP和欧姆接触层。
缓冲层10选用Si掺杂的GaAs材料，掺杂原子浓度为1E18个原子/cm3，厚度在0.5微米；n-型限制层9采用Al0.5In0.5P(AlInP)材料，掺杂原子数浓度为1E18个原子/cm3，厚度在11微米；N区本征波导层8采用(AlxGal-x)0.5In0.5P(AlGaInP)材料，厚度0.2微米；本征压应变多量子阱有源区7选用AlGaInP/GaInP材料，P区本征波导层6选用(AlxGal-x)0.5In0.5P(AlGaInP)材料，厚度为0.2微米；p-型限制层5选用Al0.5In0.5P(AlInP)材料，掺杂原子数浓度为1E18个原子/cm3，厚度为11微米；GaInP层4厚度为0.1微米；p-型欧姆接触层3选用GaAs材料，厚度为0.2微米。
步骤2、制作扩Zn区域
外延完成之后，用等离子增强化学气相沉淀(PECVD)制作氧化硅进行掩蔽，在平行于激光器腔面方向光刻并腐蚀氧化硅(由于光刻胶的保护作用，激光器表面氧化硅并未被腐蚀掉)，露出的激光器腔面即为扩Zn区域。
步骤3、利用MOCVD对激光器进行Zn扩散实现波长蓝移至590nm～593nm增大量子阱带隙
利用MOCVD设备，将激光器放入反应室中，将反应室升温至300℃后通100sccm～200sccmAsH3；继续升温，当反应室温度达到400℃时再通入10sccm～40sccm的DMZn进行腔面扩散；进一步温度升至450℃～650℃保持20min～70min，然后将温度在15min～30min内下降至150℃～300℃进行退火，下降至200℃时停止通入DMZn和AsH3；当反应室温度下降至100℃以下时，Zn扩散完毕。
步骤4、制作氧化硅掩膜条形激光器
利用PECVD重新制作氧化硅掩膜，光刻出100微米条宽，电极制作、减薄后，解理成1毫米腔长的条进行腔面镀膜(高反膜反射率为95％，增透膜反射率为30％)，最后解理成管芯后P面朝下In焊在铜热沉上。此步骤按现有技术即可。
图6是本实施例扩Zn后的650nm激光器PL谱波长测试图，与图5相比扩Zn后激光器波长平均蓝移50nm，说明激光器腔面带隙变大，成为非吸收窗口。从PL谱波长全面测试图可以看出激光器扩Zn后均匀性良好，扩散到位。
实施例2：与实施例1不同的是激光器外延层结构的不同以及扩Zn工艺条件的改变
采用的另一种外延结构主要为在缓冲层和n-型限制层之间增加GaInP层保证晶格过渡的稳定性，并且各层厚度也有不所不同。
步骤1、利用MOCVD在半导体衬底上沉积外延层，所述外延层包括：缓冲层、GaInP、n-型限制层、本征波导层、本征压应变多量子阱有源区、p-型限制层、GaInP和欧姆接触层。
缓冲层10选用硅掺杂的GaAs材料，掺杂原子浓度为1E18个原子/cm3，厚度在0.5微米；GaInP层4厚度为0.02微米；n-型限制层9采用(AlxGal-x)0.5In0.5P(AlGaInP)材料，掺杂原子数浓度为1E18个原子/cm3，厚度在1微米；N区本征波导层8采用(AlxGal-x)0.5In0.5P(AlGaInP)材料，厚度0.2微米；本征压应变多量子阱有源区7选用AlGaInP/GaInP材料，P区本征波导层6选用(AlxGal-x)0.5In0.5P(AlGaInP)材料，厚度为0.2微米；p-型限制层5选用Al0.5In0.5P(AlInP)材料，掺杂原子数浓度为1E18个原子/cm3，厚度为0.9微米；GaInP层4厚度为0.03微米；p-型欧姆接触层选用GaAs材料，厚度为0.2微米。
步骤2、激光器扩Zn区域的制作与实施例1相同。
步骤3、利用MOCVD设备，将激光器放入反应室中，将反应室升温至300℃后通入150sccm的AsH3；继续升温，当反应室温度达到400℃时再通入30sccm的DMZn进行腔面扩散；进一步温度升至450℃～600℃保持60～70min，在这段保温时间内，在保持通入AsH3不变的情况下，DMZn源每通入10分钟就停止通入，停止10分钟后再次通入反应室10分钟，采用这种间隔通入DMZn源的方式进行扩Zn，目的是保证DMZn的扩散效率的同时减少Zn源在激光器内部的掺杂浓度，进一步提高激光器输出稳定性。
其余步骤与实施例1相同。
Claims (4)
1.一种对AlGaInP/GaInP红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，所述的红光半导体激光器结构包括GaAs衬底，GaAs缓冲层，n-型限制层，N区本征波导层，多量子阱有源区，P区本征波导层，p-型限制层，GaInP，p-型GaAs欧姆接触层，氧化硅绝缘层，P面电极，在平行于激光器腔面方向光刻并腐蚀部分氧化硅绝缘层，露出的激光器腔面即为Zn扩散区域；步骤如下：
（1）将所述激光器放入MOCVD反应室中，将反应室升温至200℃～350℃时，通入100sccm～200sccm的AsH3；继续升温，
（2）当反应室温度达到400℃时再通入5sccm～40sccm的二甲基锌进行腔面扩散，升温至450℃～650℃保持恒温20min～70min，期间保持 AsH3通入不变，二甲基锌通入采用间隔5－10min的断续通入方式；
Zn扩散的工艺条件如下：
反应室压力：250~650mbar，
扩散温度：400~650℃，
背景H2流量：150－500 sccm，
有机金属源DMZn温度：10-28℃，有机金属源为99.9999%的高纯DMZn，
AsH3气体是为99.9995%的高纯AsH3，
载气优选99.999%的高纯氢气经纯化器纯化为99.9999999%的超高纯氢气；
然后，
（3）将反应室温度在15min～30min内下降至150℃～300℃进行退火；当温度下降至200℃时停止通入二甲基锌和AsH3；
（4）当反应室温度下降至100℃以下时，Zn扩散完毕。
2.如权利要求1所述的对AlGaInP/GaInP红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，其特征在于步骤（2）中，通入10sccm～25sccm的二甲基锌进行腔面扩散，升温至450℃～600℃保持40min～60min。
3.如权利要求1所述的对AlGaInP/GaInP红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，其特征在于红光半导体激光器是650nm AlGaInP/GaInP半导体激光器，衬底为掺Si的50.8mmGaAs，外延结构依次为：0.5微米掺硅GaAs缓冲层；1.1微米n-型Al0.5In0.5P限制层；0.2微米N区本征（AlxGa1-x）0.5In0.5P波导层；本征压应变AlGaInP/GaInP多量子阱有源区，0.2微米P区本征（AlxGa1-x）0.5In0.5P波导层；1.1微米 p-型Al0.5In0.5P限制层；0.1微米 GaInP，0.2微米p-型GaAs欧姆接触层。
4.如权利要求1所述的对AlGaInP/GaInP红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，其特征在于在缓冲层和n-型限制层之间增加GaInP层。
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Legal Events
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Address after: Tianchen Avenue high tech Zone of Ji'nan City, Shandong Province, No. 1835 250101 Patentee after: SHANDONG HUAGUANG OPTOELECTRONICS CO., LTD. Address before: 250101 Shandong city of Ji'nan province high tech Zone (Lixia) Tianchen Street No. 1835 Patentee before: Shandong Huaguang Photoelectronic Co., Ltd. |