CN104716027B - 一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，包括在轨道上顺次设置的第一扩散加热炉和第二扩散加热炉；所述第一扩散加热炉为一端封闭的槽形，所述第二扩散加热炉呈中空环形；在所述轨道的一端，且在第二扩散加热炉的后方设置有支架，在所述支架上安装有一端封闭、一端开口设置的石英管。在所述石英管内、纵向顺次设置有第一热电偶和第二热电偶，石英舟的前半部设置在第一热电偶上，石英舟的后半部设置在第二热电偶上。本发明所述的装置采用扩散源与芯片分开并采用双温区控制扩散源和芯片的温度，扩散过程中分别控制以确保炉温的稳定；本发明防止激光器芯片表层GaAs在扩散温度下大量地分解，得到表面光亮,Zn浓度分布均匀,重复性好,无损伤的高浓度表面层的特点。

Description

一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置及其应用
技术领域
本发明专利涉及一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置及其应用，属于半导体工艺的技术领域。
背景技术
在光通信、数据存储、DVD/VCD和条形码阅读器、激光打印、激光显示、气体监测和医疗器械等领域，激光器（LD）有着广泛的应用，其中650nm激光器主要应用于光学存储系统，用于制造DVD、DVD-R/RW的激光头。对于DVD-R/RW，刻录速度正比于LD输出功率的平方，要得到快的刻录速度,必需提高LD的输出功率，而最大输出功率受到激光器端面的光学灾难(COD)的限制。应用领域的拓展不断对激光器输出功率提出更高的要求,这需要进一步优化、改进激光器的材料选择、器件结构和制作工艺来提高激光器的光灾变损伤(COD)功率水平。利用选择性Zn扩散技术,在LD腔面的部分区域进行Zn扩散,使LD端面部分带隙变大,形成对出射光不吸收的透明区域(即窗口结构),可以避免激光器端面的COD,大大提高LD的功率。
扩散枝术在半导体器件制备中己有广泛的应用。它不仅在普通半导体器件的研制中,而几乎在变容管、半导体光电器件及太阳能电池的制备中,都有重要意义。Zn扩散是制作半导体激光器器件的重要工艺之一。作为一种掺杂手段,它与离子注入法和二次外延相比，具有工艺简单，引入的晶格损伤小，成本低等优点，由于Zn扩散的对象往往是外延生长的多层异质结构材料,层与层之间常具有不同的掺杂类型和杂质分布。因此，为了使这种精细的结构不被破坏，要求Zn扩散温度尽可能低，时间尽可能短。传统杂质源扩散方法有外延炉扩散、闭管扩散法和开管扩散法。
中国专利CN1065158公开一种高压晶闸管制造方法及装置。本发明属于电力半导体器件——晶闸管生产中的一种双质掺杂方法及扩散系统装置。本发明为铝乳胶源涂布与气相镓杂质相结合的一种分步扩散法,它是先在N型硅片上均匀涂布二氧化硅铝乳胶源进行铝扩散,然后扩铝硅片经单面抛光、热氧化、开管扩镓,最后完成铝镓再分布。扩散装置的石英管短,无内扩散管,只用一个磨口。该专利所述方法扩散杂质源与硅片放在同一炉管内距离较近且炉管较短,扩散源与扩散芯片不能单独控温，冷却时极易在芯片表面和炉口出现凝聚现象,造成扩散后表面不光滑和扩散源扩散深度不足问题。
中国专利CN103151248A公开了一种光电探测器制作中锌的扩散装置及其扩散方法，该装置包括加热炉、两端封闭的石英管、气体控制系统、真空系统、用以容置扩散源及待扩散的外延片的石英舟以及用以推送该石英舟进入石英管的真空推进装置，该石英管一端位于加热炉炉膛中，为恒温区，另一端位于加热炉炉膛外，为冷却区，并处于室温状态，该气体控制系统可向石英管内充入氮气，该真空系统通过真空管道可对石英管抽真空。本发明方法中扩散源与芯片放在一同一炉管内距离较近，无法实现扩散源与扩散芯片单独控温，扩散后冷却时极易在芯片表面出现凝聚现象，造成扩散后表面不光滑，石英管另一端位于加热炉炉膛外并没有隔离，扩散源极易在炉口冷凝，造成扩散源不足而导致扩散深度不足。
中国专利CN101950775A记载的《一种采用外延设备制作双扩散式背面入光的光雪崩管方法》采用MOCVD外延设备的双扩散法控制扩散源流量，实现不同区域、不同浓度的渐变式掺杂，在扩散中形成突变结进行掺杂，这种方法成本比较高且存在工艺不容易控制的缺点。
闭管扩散法，如1988年河北工学院第4期学报中《Zn在GaAs中扩散的研究》中提到方法：将Zn扩散源和激光器芯片放入特制的石英管内,抽成高真空后,用氢氧焰进行烧结密封。扩散时,将激光器与扩散源分别置于石英管的两端,再将石英管放入扩散炉内进行扩Zn,扩完后取出石英管，打碎石英管取出激光器芯片,这种方法扩散中容易在激光器芯片表面条形窗口出现凝聚现象，扩Zn后表面不光滑，操作比较麻烦且不安全。
开管扩散法，如1976年中山大学第4期学报《开管（Zn）扩散平面型GaAs1-XP发光器件》中提到是将Zn扩散源放入特制容器内，在高温不密封的情况下进行扩Zn,由于Zn元素活泼,在高温下极易氧化,容易在衬底上沉积Zn的氧化膜。
总结目前已有的常规Zn扩散方法，具有以下不足：工艺重复性差；扩散中容易在激光器芯片表面条形窗口和炉口处出现凝聚现象；扩Zn后表面不光滑；Zn元素活泼,在高温下极易氧化阻止扩散的进一步进行，这些不足对器件的制作是十分不利的，甚至完全可能破坏外延片的四层结构不能满足制作结构较复杂和对结深等参数要求较高的器件的需要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置。
本发明还提供一种上述装置的应用。本发明所述的装置及应用，具体是一种双温区扩散装置和方法,可得到表面光亮,Zn浓度分布均匀,重复性好,高浓度无损伤的表面层，确保半导体激光器的器件工艺和性能。
本发明的技术方案如下：
一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，包括在轨道上顺次设置的第一扩散加热炉和第二扩散加热炉；所述第一扩散加热炉为一端封闭的槽形，所述第二扩散加热炉呈中空环形；在所述轨道的一端，且在第二扩散加热炉的后方设置有支架，在所述支架上安装有一端封闭、一端开口设置的石英管，在所述石英管的侧壁上贯通设置有供充氮气用的通气管，在所述通气管上设置有N2阀门；在所述石英管的开口端安装有一个环形密封石英管，所述密封石英管通过石英管密封盖密封设置在所述石英管的开口端；在所述石英管内、纵向顺次设置有第一热电偶和第二热电偶，石英舟的前半部设置在第一热电偶上，石英舟的后半部设置在第二热电偶上；在所述石英管内还设置有抽真空管，所述抽真空管贯穿石英管密封盖与机械泵相连，在所述抽真空管设置有真空计和阀门。
根据本发明优选的，所述石英管包括细端部分和粗端部分，所述细端部分设置在所述石英管的封闭端，所述粗端部分设置在所述石英管的开口端；所述第一热电偶设置在细端部分，所述第二热电偶设置在粗端部分。
根据本发明优选的，所述第一扩散加热炉、第二扩散加热炉、第一热电偶和第二热电偶分别由温控仪a、温控仪b、温控仪c和温控仪d进行控温。
根据本发明优选的，在所述石英管的开口端设置有冷却水管，所述冷却水管包括冷却水出水口和冷却水入水口。
根据本发明优选的，所述石英舟的前半部上设置有源槽，所述石英舟的尾端上设置有孔。
根据本发明优选的，在所述轨道的一端，且在所述第一扩散加热炉的前方设置有第一限位器；在所述轨道的另一端，且在所述石英管的下方设置有第二限位器。
本发明所述的装置采用扩散源与芯片分开并采用双温区控制扩散源和芯片的温度，扩散过程中分别控制以确保炉温的稳定；用氮气吹扫石英管和保护扩散氛围；用可活动的特制密封石英管在开口石英管内部隔离端口温度低的区域，在放置放有扩散源Zn和激光器芯片的石英舟时，先取出特制的密封石英管，放进去石英舟后，再将特制密封石英管推进开口石英管内部，起到隔离的效果；闭管高真空扩散；扩散源放在所述石英管的细端部分，扩散源Zn通过与石英管的细端部分多次碰撞击碎分解的大颗粒汽相物质，利用以上方法既能避免扩散中在激光器芯片表面条形窗口和炉口处出现凝聚现象和高温下Zn氧化阻止扩散的进行，又能防止激光器芯片表层GaAs在扩散温度下大量地分解，得到表面光亮,Zn浓度分布均匀,重复性好,无损伤的高浓度表面层的特点。
一种上述半导体激光器Zn杂质源扩散的装置的应用，步骤如下：
（1）打开所述装置的总电源并打开温控仪a1和温控仪b2加热，将第一扩散加热炉6和扩第二散加热炉7沿轨道5推到远离石英管9一端，加热并恒温到扩散源和激光器芯片扩散所需设定温度；采用双温区控制扩散源和芯片的温度，扩散过程中分别控制以确保炉温的稳定，可防止激光器芯片表层GaAs在扩散温度下大量地分解；
（2）先将称量好的Zn扩散源放入石英舟8的源槽21内，并将激光器芯片按工艺要求距离放在源槽21与孔22之间，将石英舟8推入石英管9，使得石英舟的前半部设置在第一热电偶上，石英舟的后半部设置在第二热电偶上；
（3）再将密封石英管10放进石英管9的开口端内，打开N2阀门18，向石英管通入氮气赶净石英管内空气；这样可避免高温下Zn氧化阻止扩散的进行；
（4）再用石英管密封盖12将石英管9封好，关闭N2阀门18，打开冷却水进水口17和冷却水出水口11，打开阀门19和机械泵20，通过观察真空计16将石英管9内真空抽到工艺要求真空，关闭阀门19；
（5）将第一扩散加热炉6和第二扩散加热炉7沿轨道5推到石英管9处，给石英管9加热到扩散所需温度，开始扩Zn；
（6）扩散完成后，先将第一扩散加热炉6拉出；石英管9的细端部分温度降低，所述石英管内的Zn金属蒸汽在温度低的地方冷凝，避免扩散中在激光器芯片表面条形窗口和炉口处出现凝聚现象，
（7）再把第二扩散加热炉7拉出，石英管9自然降温到常温，充入氮气，取出扩散好的激光器芯片；
（8）把石英管9抽成真空，关闭阀门和总电源，Zn杂质源扩散完成。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明采用扩散源与芯片分开，扩散源放在细颈通道内，一方面扩散源分解的大颗粒汽相物质与细颈通道的多次碰撞可被击碎，另一方面为单独控制扩散源和芯片的温度提供条件。
2.本发明采用双温区控制扩散源和芯片的温度，扩散过程中分别控制以确保炉温的稳定，防止激光器芯片表层GaAs在扩散温度下大量地分解，扩散完成后先冷却扩散源，再冷却激光器芯片，避免扩散源蒸汽扩散中在激光器芯片表面条形窗口凝聚现象。
3.本发明用氮气吹扫石英管和保护扩散氛围，闭管高真空扩散，避免了高温下Zn源氧化阻止扩散的进行。
4.本发明用密封石英管隔离石英管端口温度低的区域，能避免扩散源蒸汽扩散中在炉口处出现凝聚现象。
5.本发明通过此发明的装置及其方法扩Zn可得到表面光亮,Zn浓度分布均匀,重复性好,无损伤的高浓度表面层的特点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是石英舟结构示意图。
在图1、2中，1、温控仪a，2、温控仪b，3、温控仪d，4、温控仪c，5、轨道，6、第一扩散加热炉，7、第二扩散加热炉，8、石英舟，9、石英管，10、密封石英管，11、冷却水出水口，12、石英管密封盖，13、第一热电偶，14、第二热电偶，15、支架，16、真空计，17、冷却水进水口，18、N2阀门，19、阀门，20、机械泵，21源槽，22、孔，23、通气管；24、抽真空管；25、第一限位器；26、第二限位器。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1-2所示。
实施例1、
一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，包括在轨道5上顺次设置的第一扩散加热炉6和第二扩散加热炉7；所述第一扩散加热炉6为一端封闭的槽形，所述第二扩散加热炉7呈中空环形；在所述轨道5的一端，且在第二扩散加热炉7的后方设置有支架15，在所述支架15上安装有一端封闭、一端开口设置的石英管9，在所述石英管9的侧壁上贯通设置有供充氮气用的通气管23，在所述通气管上设置有N2阀门18；在所述石英管9的开口端安装有一个环形密封石英管10，所述密封石英管10通过石英管密封盖12密封设置在所述石英管9的开口端；在所述石英管9内、纵向顺次设置有第一热电偶13和第二热电偶14，石英舟8的前半部设置在第一热电偶13上，石英舟8的后半部设置在第二热电偶14上；在所述石英管9内还设置有抽真空管24，所述抽真空管24贯穿石英管密封盖12与机械泵20相连，在所述抽真空管24设置有真空计16和阀门19。
所述石英管9包括细端部分和粗端部分，所述细端部分设置在所述石英管的封闭端，所述粗端部分设置在所述石英管的开口端；所述第一热电偶13设置在细端部分，所述第二热电偶14设置在粗端部分。
所述第一扩散加热炉6、第二扩散加热炉7、第一热电偶13和第二热电偶14分别由温控仪a1、温控仪b2、温控仪c4和温控仪d3进行控温。
在所述石英管9的开口端设置有冷却水管，所述冷却水管包括冷却水出水口11和冷却水入水口17。
所述石英舟8的前半部上设置有源槽21，所述石英舟8的尾端上设置有孔22。
实施例2、
如实施例1所述的一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，其区别在于，在所述轨道5的一端，且在所述第一扩散加热炉6的前方设置有第一限位器25；在所述轨道5的另一端，且在所述石英管9的下方设置有第二限位器26。
实施例3、
一种如实施例1所述半导体激光器Zn杂质源扩散的装置的应用，步骤如下：
（1）打开所述装置的总电源并打开温控仪a1和温控仪b2加热，将第一扩散加热炉6和扩第二散加热炉7沿轨道5推到远离石英管9一端，加热并恒温到扩散源和激光器芯片扩散所需设定温度；采用双温区控制扩散源和芯片的温度，扩散过程中分别控制以确保炉温的稳定，可防止激光器芯片表层GaAs在扩散温度下大量地分解；
（2）先将称量好的Zn扩散源放入石英舟8的源槽21内，并将激光器芯片按工艺要求距离放在源槽21与孔22之间，将石英舟8推入石英管9，使得石英舟的前半部设置在第一热电偶上，石英舟的后半部设置在第二热电偶上；
（3）再将密封石英管10放进石英管9的开口端内，打开N2阀门18，向石英管通入氮气赶净石英管内空气；这样可避免高温下Zn氧化阻止扩散的进行；
（4）再用石英管密封盖12将石英管9封好，关闭N2阀门18，打开冷却水进水口17和冷却水出水口11，打开阀门19和机械泵，通过观察真空计16将石英管9内真空抽到工艺要求真空，关闭阀门19；
（5）将第一扩散加热炉6和第二扩散加热炉7沿轨道5推到石英管9处，给石英管9加热到扩散所需温度，开始扩Zn；
（6）扩散完成后，先将第一扩散加热炉6拉出；石英管9的细端部分温度降低，所述石英管内的Zn金属蒸汽在温度低的地方冷凝，避免扩散中在激光器芯片表面条形窗口和炉口处出现凝聚现象，
（7）再把第二扩散加热炉7拉出，石英管9自然降温到常温，充入氮气，取出扩散好的激光器芯片；
（8）把石英管9抽成真空，关闭阀门和总电源，Zn杂质源扩散完成。
通过本发明所属的装置及应用，可将本发明应用的半导体激光器外延片的制备领域：采用MOCVD技术生长的GaAs红光半导体激光器外延片通过以下步骤进行Zn扩散掺杂诱导量子阱混杂：1、完成激光器外延生长后，采用PECVD的方法生长一层致密的SiO2薄膜；2、用HF溶液腐蚀出扩散窗口；3、将Zn源和制作出扩散窗口的激光器外延片放入特制的石英舟内,按本发明方法和装置按工艺扩散温度和扩散时间进行扩散；4、扩散后的外延片直接采用常规激光器的制作工艺完成其余流程。通过测试发现,在工艺要求扩散温度和扩散时间下扩Zn得到的非吸收窗口使得激光器的性能有较大提升,大大改善了激光器的COD问题，其连续工作条件，带非吸收窗口的大功率GaAs红光半导体激光器输出功率超过100mW。器件的阈值电流与工作电流的批量特性好,温度特性好,可应用于DVD数据读写等领域。

Claims (7)

1.一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，其特征在于，该装置包括在轨道上顺次设置的第一扩散加热炉和第二扩散加热炉；所述第一扩散加热炉为一端封闭的槽形，所述第二扩散加热炉呈中空环形；在所述轨道的一端，且在第二扩散加热炉的后方设置有支架，在所述支架上安装有一端封闭、一端开口设置的石英管，在所述石英管的侧壁上贯通设置有供充氮气用的通气管，在所述通气管上设置有N2阀门；在所述石英管的开口端安装有一个环形密封石英管，所述密封石英管通过石英管密封盖密封设置在所述石英管的开口端；在所述石英管内、纵向顺次设置有第一热电偶和第二热电偶，石英舟的前半部设置在第一热电偶上，石英舟的后半部设置在第二热电偶上；在所述石英管内还设置有抽真空管，所述抽真空管贯穿石英管密封盖与机械泵相连，在所述抽真空管设置有真空计和阀门。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，其特征在于，所述石英管包括细端部分和粗端部分，所述细端部分设置在所述石英管的封闭端，所述粗端部分设置在所述石英管的开口端；所述第一热电偶设置在细端部分，所述第二热电偶设置在粗端部分。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，其特征在于，所述第一扩散加热炉、第二扩散加热炉、第一热电偶和第二热电偶分别由温控仪a、温控仪b、温控仪c和温控仪d进行控温。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，其特征在于，在所述石英管的开口端设置有冷却水管，所述冷却水管包括冷却水出水口和冷却水入水口。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，其特征在于，所述石英舟的前半部上设置有源槽，所述石英舟的尾端上设置有孔。
6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器Zn杂质源扩散的装置，其特征在于，在所述轨道的一端，且在所述第一扩散加热炉的前方设置有第一限位器；在所述轨道的另一端，且在所述石英管的下方设置有第二限位器。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述半导体激光器Zn杂质源扩散的装置的应用，步骤如下：
（1）打开所述装置的总电源并打开温控仪a 和温控仪b 加热，将第一扩散加热炉和扩第二散加热炉 沿轨道推到远离石英管一端，加热并恒温到扩散源和激光器芯片扩散所需设定温度；
（2）先将称量好的Zn扩散源放入石英舟的源槽内，并将激光器芯片按工艺要求距离放在源槽与孔之间，将石英舟推入石英管，使得石英舟的前半部设置在第一热电偶上，石英舟的后半部设置在第二热电偶上；
（3）再将密封石英管放进石英管的开口端内，打开N2阀门，向石英管通入氮气赶净石英管内空气；
（4）再用石英管密封盖将石英管封好，关闭N2阀门，打开冷却水进水口和冷却水出水口，打开阀门和机械泵，通过观察真空计将石英管内真空抽到工艺要求真空，关闭阀门；
（5）将第一扩散加热炉 和第二扩散加热炉沿轨道推到石英管处，给石英管加热到扩散所需温度，开始扩Zn；
（6）扩散完成后，先将第一扩散加热炉 拉出；
（7）再把第二扩散加热炉 拉出，石英管自然降温到常温，充入氮气，取出扩散好的激光器芯片；
（8）把石英管抽成真空，关闭阀门和总电源，Zn杂质源扩散完成。
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