CN105932543B - 调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层及其生长方法 - Google Patents

调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层及其生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层及其生长方法，本发明将金属有机物化学气相沉积反应室内的气压设置为预定气压，并将反应气体和MO源通入金属有机物化学气相沉积反应室，在预定温度下反应气体和MO源发生反应生成调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层，其中，反应气体为磷烷以及砷烷；MO源为三甲基铝、三甲基铟、三甲基镓、三乙基镓、P型掺杂源二甲基锌或P型掺杂源二乙基锌。利用本发明的方法生成的调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层是一种高线性度AlGaInAs量子阱外延，其压应变增大，从而能降低俄歇复合，带间吸收，可以达到改善器件高温特性的作用以及有源区量子阱的外量子效率、内量子效率和转换效率、提高张弛振荡频率。

Description

调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层及其生长方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，更具体涉及一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层及其生长方法。
背景技术
半导体激光器从最初的低温25℃运转发展到室温下连续工作，现在发展到在高温85℃连续工作，其半导体激光器有源区从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱)等多种形式，归根到底是提高了半导体有源层材料的外量子效率及内量子效率和转换效率。
现有技术中，AlGaInAs/InP材料量子阱结构中导带偏移ΔEc＝0.4ΔEg，这样只能具有较小的电子限制势，当激光器在高温条件或高载流子密度的情况下，容易发生载流子穿越势垒层发生泄漏，以及因为电子无法限制在量子阱内而发生非辐射复合、降低内量子效率等效应，将造成激光器性能下降。
通过加大量子阱阱层材料的压应变能降低俄歇复合、带间吸收，从而达到改善器件高温特性的作用，同时功率也会相应提高。但是加大量子阱有源区阱层材料应变后，高失配引起的应力容易造成晶格驰豫，由二维生长变为三维生长，铟原子易迁移形成富In的“小岛”，高质量的量子阱要求二维生长，这是因为三维生长会造成很多缺陷，影响量子阱的发光效率。
由于量子阱有源区中阱层材料应变加大及多周期累加，其量子阱有源区整体应变进一步加大，给大应变、多周期量子阱材料外延生长质量带来了困难。因此提高有源区材料的外延质量，减少各种缺陷和杂质的浓度是提高外量子效率及内量子效率和转换效率的最佳途径，因此如何提高有源区的外延生长质量成为急需解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提高有源区的外延生长质量。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层生长方法，所述方法包括以下步骤：
S1、对金属有机物化学气相沉积反应室进行清洗，之后将衬底放入所述金属有机物化学气相沉积反应室；
S2、将所述金属有机物化学气相沉积反应室内的气压设置为预定气压，并将反应气体和MO源通入所述金属有机物化学气相沉积反应室，在预定温度下所述反应气体和MO源发生反应生成调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层；
S3、降低所述金属有机物化学气相沉积反应温度，向所述金属有机物化学气相沉积反应室充入氮气，并升高所述金属有机物化学气相沉积反应室的气压，之后将生成的所述调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层取出；
其中，所述反应气体为磷烷以及砷烷；
所述MO源为三甲基铝、三甲基铟、三甲基镓、三乙基镓、P型掺杂源二甲基锌或P型掺杂源二乙基锌。
优选地，所述P型掺杂源二甲基锌或P型掺杂源二乙基锌的掺杂浓度为1017cm3～1018cm3。
优选地，所述步骤S2中利用载气将所述反应气体和MO源带入所述金属有机物化学气相沉积反应室；
所述步骤S3中，降低所述金属有机物化学气相沉积反应温度之前首先关闭所述载气。
优选地，所述预定气压为20mbar～10mbar；所述预定温度为550度～750度。
优选地，所述步骤S2中，在预定温度下所述反应气体和MO源发生反应生成调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层具体包括以下步骤：
S21、在所述衬底上生成缓冲层；
S22、在所述缓冲层上生成第一外波导层；
S23、在所述第一外波导层上依次生成U型层和n型层；
S24、在所述n型层上生成多量子阱层，其中所述多量子阱层包括量子阱层和量子垒层；
S25、在所述多量子阱层上生成第二外波导层；
S26、在所述第二外波导层上生成P型层。
优选地，所述量子阱层中量子阱的数目大于或等于5并且小于10。
优选地，所述量子阱层为未掺杂的Alx1Gay1In(1-x1-y1)As，其中x1大于0并且小于或等于1，y1大于0并且小于或等于1，所述量子阱层的应变为压应变，所述压应变的范围是8800ppm～12000ppm。
优选地，所述量子垒层包括依次叠加的未掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As、P型掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As以及未掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As，所述量子垒层的应变为张应变，所述张应变的范围是-4000ppm～-5800ppm，其中所述x2大于0并且小于或等于1，y2大于0并且小于或等于1，所述P型掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As的厚度占所述量子垒层厚度的60％以上。
优选地，所述第一外波导层的材料为Alx3Ga(0.47-x3)In0.53As，其中x3是渐变值，其取值范围是0.44→0.36；
所述第二外波导层的材料为Alx4Ga(0.47-x4)In0.53As，其中x4是渐变值，其取值范围是0.36→0.44。
对应于上述方法本发明还公开了一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层，所述调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层由上述方法制作形成。
(三)有益效果
本发明提供了一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层及其生长方法，利用本发明的方法生成的调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层是一种高线性度AlGaInAs量子阱外延，其压应变增大，从而能降低俄歇复合，带间吸收，可以达到改善器件高温特性的作用，优化的有源区量子阱结构可以提高外量子效率，延长载流子寿命的时间可以减小激光器阈值电流密度，从而能够提高有源层材料的特征温度以及有源区量子阱的外量子效率、内量子效率和转换效率、提高张弛振荡频率。同时本发明的方法达成了环保、简易、缩短生产周期以及产品稳定性强的良好效果。
进一步地，通过量子垒52层材料进行P型掺杂，在相对于未调制掺杂的AlGaInAs外延制成的芯片速度上有很大的提升。采用P型调制掺杂进一步导致微分增益增加和弛豫振荡频率提高近4倍左右，其驰豫振荡频率达到30GHz，是普通激光器的5倍，线宽增强因子可以抑制到普通不掺杂量子阱51激光器的1/4。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层的生长方法流程图；
图2是本发明的调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层的结构示意图；
图3是本发明中调制掺杂示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层生长方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1、对金属有机物化学气相沉积MOCVD反应室进行烘烤、清洗，除去表面异物，之后将衬底放入所述金属有机物化学气相沉积反应室MOCVD的基座上；其中所述衬底为InP衬底，烘烤温度为740度；
S2、将所述金属有机物化学气相沉积反应室内的气压设置为预定气压，并将反应气体和MO源通入所述金属有机物化学气相沉积反应室，在预定温度下所述反应气体和MO源发生反应生成调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层；
S3、降低所述金属有机物化学气相沉积反应温度，向所述金属有机物化学气相沉积反应室充入氮气，并升高所述金属有机物化学气相沉积反应室的气压，之后将生成的所述制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层取出；
其中，所述反应气体为磷烷以及砷烷，所述反应气体同时也作为保护气体使用；所述MO源为三甲基铝TMAl、三甲基铟TMIn、三甲基镓TMGa、三乙基镓TEGa、P型掺杂源二甲基锌DMZn或P型掺杂源二乙基锌DEZn，优选地，所述P型掺杂源二甲基锌或P型掺杂源二乙基锌的掺杂浓度为1017cm3～1018cm3。
利用本发明的方法生成的调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层是一种高线性度AlGaInAs量子阱外延，其压应变增大，从而能降低俄歇复合，带间吸收，可以达到改善器件高温特性的作用，优化的有源区量子阱结构可以提高外量子效率，延长载流子寿命的时间可以减小激光器阈值电流密度，从而能够提高有源层材料的特征温度以及有源区量子阱的外量子效率、内量子效率和转换效率、提高张弛振荡频率。同时本发明的方法达成了环保、简易、缩短生产周期以及产品稳定性强的良好效果。
进一步地，所述步骤S2中利用载气将所述反应气体和MO源带入所述金属有机物化学气相沉积反应室；所述步骤S3中，降低所述金属有机物化学气相沉积反应温度之前首先关闭所述载气。优选地，所述载气为氢气。
进一步地，所述预定气压为20mbar～10mbar；所述预定温度为550度～750度。
进一步地，所述步骤S2中，在预定温度下所述反应气体和MO源发生反应生成调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层具体包括以下步骤，如图3所示：
S21、在所述衬底上生成缓冲层；其中缓冲层的沉积温度为630度，厚度为0.5um；
S22、在所述缓冲层上生成第一外波导层；其中第一外波导层的厚度为50～100nm，为带渐变组分外波导层；
S23、在所述第一外波导层上依次生成U型层和n型层；
S24、在所述n型层上生成多量子阱层，其中所述多量子阱层包括量子阱层和量子垒层；
S25、在所述多量子阱层上生成第二外波导层；其中第二外波导层的厚度为50～100nm，为带渐变组分外波导层；
S26、在所述第二外波导层上生成P型层。
其中，所述量子阱层中量子阱的数目大于或等于5并且小于10。，所述量子阱层为未掺杂的Alx1Gay1In(1-x1-y1)As，其中x1大于0并且小于或等于1，y1大于0并且小于或等于1，所述量子阱层的应变为压应变，所述压应变的范围是8800ppm～12000ppm。所述量子垒层包括依次叠加的未掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As、P型掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As以及未掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As，所述量子垒层的应变为张应变，所述张应变的范围是-4000ppm～-5800ppm，其中所述x2大于0并且小于或等于1，y2大于0并且小于或等于1，所述P型掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As的厚度占所述量子垒层厚度的60％以上。
所述第一外波导层的材料为Alx3Ga(0.47-x3)In0.53As，其中x3是渐变值，其取值范围是0.44→0.36；所述第二外波导层的材料为Alx4Ga(0.47-x4)In0.53As，其中x4是渐变值，其取值范围是0.36→0.44。
上述方法进一步地通过量子垒层材料进行P型掺杂，在相对于未调制掺杂的AlGaInAs外延制成的芯片速度上有很大的提升。采用P型调制掺杂进一步导致微分增益增加和弛豫振荡频率提高近4倍左右，其驰豫振荡频率达到30GHz，是普通激光器的5倍，线宽增强因子可以抑制到普通不掺杂量子阱51激光器的1/4。上述方法能够广泛应用于改进光通讯、CATV系统、光电技术中光发射器件芯片高温特性的外延生长。同时上述方法还具有与不扩散污染、工艺过程容易控制且能保证精确控制、生产周期短以及稳定性强的优势。
本发明外延层在高温方面达到了斜率效率变化为-1.0dB的水平；在抗ESD和电流浪涌等方面都具有世界同类产品的水平，根据寿命试验结果，可以在室温情况下稳定、连续工作30年以上，满足世界一流产品的要求。
对应于上述方法本发明还公开了一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层，所述调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层由上述方法制作形成，如图2所示，包括依次叠加的衬底1、缓冲层2(即过渡层)、第一外波导层(未图示)、U型层3、n形成4、多量子阱层5、第二外波导层6以及P型层7。其中多量子阱层5包括量子阱层51和量子垒层52。
对上述外延片进行老化筛选测试，未镀膜老化条件：100℃、100mA、48h,老化通过的条件为24h老化后的常温测试∣△Ith≤10％(T＝25℃)。镀膜后的老化条件：100℃、100mA、36h，常温下测试∣△Ith≤1mA,∣△Pf≤10％，结果如表1所示：
表1 外延片进行老化筛选测试结果表
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层生长方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、对金属有机物化学气相沉积反应室进行清洗，之后将衬底放入所述金属有机物化学气相沉积反应室；
S2、将所述金属有机物化学气相沉积反应室内的气压设置为预定气压，并将反应气体和MO源通入所述金属有机物化学气相沉积反应室，在预定温度下所述反应气体和MO源发生反应；
S3、在所述衬底上生成缓冲层，在所述缓冲层上生成第一外波导层，在所述第一外波导层上依次生成U型层和n型层，在所述n型层上生成多量子阱层，其中所述多量子阱层包括量子阱层和量子垒层，在所述多量子阱层上生成第二外波导层，在所述第二外波导层上生成P型层，藉此完成调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层的生成；
S4、降低所述金属有机物化学气相沉积反应温度，向所述金属有机物化学气相沉积反应室充入氮气，并升高所述金属有机物化学气相沉积反应室的气压，之后将生成的所述调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层取出；
其中所述反应气体为磷烷以及砷烷；
所述MO源为三甲基铝、三甲基铟、三甲基镓、三乙基镓、P型掺杂源二甲基锌或P型掺杂源二乙基锌；
所述量子垒层包括依次叠加的未掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As、P型掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As以及未掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As，所述量子垒层的应变为张应变，所述张应变的范围是-4000ppm～-5800ppm，其中所述x2大于0并且小于或等于1，y2大于0并且小于或等于1，所述P型掺杂Alx2Gay2In(1-x2-y2)As的厚度占所述量子垒层厚度的60％以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述P型掺杂源二甲基锌或P型掺杂源二乙基锌的掺杂浓度为1017cm3～1018cm3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中利用载气将所述反应气体和MO源带入所述金属有机物化学气相沉积反应室；
所述步骤S4中，降低所述金属有机物化学气相沉积反应温度之前首先关闭所述载气。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，所述预定气压为20mbar～10mbar；所述预定温度为550度～750度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子阱层中量子阱的数目大于或等于5并且小于10。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子阱层为未掺杂的Alx1Gay1In(1-x1-y1)As，其中x1大于0并且小于或等于1，y1大于0并且小于或等于1，所述量子阱层的应变为压应变，所述压应变的范围是8800ppm～12000ppm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一外波导层的材料为Alx3Ga(0.47-x3)In0.53As，其中x3是渐变值，其取值范围是0.44→0.36；
所述第二外波导层的材料为Alx4Ga(0.47-x4)In0.53As，其中x4是渐变值，其取值范围是0.36→0.44。
8.一种调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层，其特征在于，所述调制掺杂型多周期应变补偿量子阱外延层由权利要求1至7任一项所述的方法制作形成。
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