CN110484896A - 一种提高mocvd生长vcsel外延膜厚均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高MOCVD生长VCSEL外延膜厚均匀性的方法，属于半导体材料生长领域，该方法包括：在Ⅴ/Ⅲ比非常高的情况下，当MOCVD生长的VCSEL外圈膜厚大于内圈膜厚时，通过增大流经MOCVD反应腔内喷淋头的进气孔043载气流量，使得内圈的Ⅲ族源浓度提高，从而提高内圈生长速率。当内圈膜厚大于外圈膜厚时，通过减小流经MOCVD反应腔内喷淋头的进气孔043的载气流量，使得外圈的Ⅲ族源浓度提高，从而提高外圈生长速率，通过本发明提供方法，可以解决外延片内外圈膜厚不均匀问题，提升外延片良率。

Description

一种提高MOCVD生长VCSEL外延膜厚均匀性的方法
技术领域
本发明属于半导体材料生长领域，具体涉及MOCVD生长VCSEL外延工艺领域。
背景技术
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是在垂直于激光器形成在其上的衬底的方向发光的半导体激光器，相比于边发射半导体激光器(FP，DFB等)具有温漂小、低阈值、光纤耦合效率高、易于集成和封装、高速(上升下降在100ps级别)等特性，在光纤通信领域有着广泛应用，随着人工智能的兴起，其在3D传感方面的应用得到了广泛关注。
随着下游应用的不断扩展，下游芯片厂商对VCSEL外延提出了大尺寸、高均匀性的要求，在业界，普遍使用MOCVD生长VCSEL外延，MOCVD生长VCSEL结构中通常包含很多对重复的DBR层，DBR层的微小偏差会引起全反射波段的偏移，从而可能导致出光效率的降低，所以，MOCVD生长的膜厚均匀性成为影响大尺寸VCSEL外延良率关键。本发明针对具有三层进气孔结构喷淋头的MOCVD，提出了一种在生长过程中，通过调整不同进气孔载气流量来提高外延生长膜厚均匀性的方法，这种方法可以有效提升VCSEL外延厚度的均匀性。
发明内容
为了克服VCSEL外延生长膜厚均匀性不佳的问题，本发明提供一种能够通过载气流量调节有效提升VCSEL外延膜厚的均匀性的方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
提供一种MOCVD装置，该装置带有反应腔，反应腔内部存在平行的圆形基板02和基板03，所述的基板02和基板03中心重合，基板02的中心区域有一圆柱状喷淋头，喷淋头由靠近所述的基板02的进气孔041、中间的进气孔042和靠近基板03的进气孔043组成，基板03可围绕其底部中心的连接轴06在与基板02平行的平面内360°旋转，在基板03表面与喷淋头在基座03表面的垂直投影区域无交叠的区域，装置有至少一个在与基板03平行的平面内可围绕自己中心360°自转的圆形基板07，基板03外侧存在排气孔05。
将基片放在基板07上，并对基板加热，基板07和基板03以一定速度围绕各自中心自转，经由进气孔041通入载气及Ⅴ族氢化物，经由进气孔042通入载气及含有Ⅲ族化合物的气体，经由进气孔043通入载气及Ⅴ族氢化物，Ⅴ族氢化物与Ⅲ族化合物在基片表面水平流过，并在基片表面生成薄膜，未反应的气体及反应副产物经由排气孔05排出。
利用MOCVD生长Ⅲ-Ⅴ化合物半导体时，在Ⅴ/Ⅲ较大情况下，圆片不同区域的Ⅲ族源浓度主要决定了该区域的Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜生长速率，Ⅲ族源由喷淋头流出后与Ⅴ族源混合，沿着基片表面流过同时发生反应，在基片表面沉积为Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜，并消耗Ⅲ族源和Ⅴ族源，当增加进气孔043流出的载气流量时，能够在单位时间内将更多的Ⅲ族源由基片表面靠近边沿的区域沿着径向推向中心区域，从而改变径向的浓度分布，使得外圈浓度降低，外圈生长速率下降，内圈浓度升高，内圈生长速率提升；当减小进气孔043流出的载气流量时，能够在单位时间内将更少的Ⅲ族源由基片内靠近边沿的区域沿着径向推向中心区域，从而改变径向的浓度分布，使得外圈浓度升高，外圈生长速率升高，内圈浓度降低，内圈生长速率降低。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
现有的技术方案中，VCSEL外延片内薄膜的均匀性，主要是通过机台腔体结构的设计来实现，尚未见到通过调整载气进气量来实现膜厚均匀性的相关资料，已公开的专利CN201810354036.8是通过在衬底周围设置一结构环来提高片内均匀性，该方法对膜厚的生长均匀性提升效果有限，且实际操作过程中，存在结构环对片子表面污染的风险，同时结构环的使用增加了成本，本发明完全不需要增加任何硬件，成本的增加几乎可以忽略，仅需要简单的气体流量设置即可实现对片内均匀性的调整，有着极强可操作性。
附图说明
图1为本发明涉及的装置示意图。
图2为本发明方法优化前制备的整片VCSEL外延DBR高反射带中心波长分布图。
图3为经过本发明方法优化制备的整片VCSEL外延DBR高反射带中心波长分布图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
用MOCVD生长Ⅲ-Ⅴ族化合物VCSEL时，在高的Ⅴ/Ⅲ比条件下，Ⅲ族元素浓度是控制薄膜生长的关键因素，基片表面不同区域的Ⅲ族元素浓度主要决定了该区域的生长速率，因此，基片表面Ⅲ族元素浓度分布决定了膜厚均匀性，我们通过调整进气孔043位置的载气流量，可以改变基片径向不同区域的Ⅲ族浓度分布，从而实现对基片表面径向生长速率的调整。
使用反应腔如图1所示的MOCVD生长六寸GaAs基VCSEL的n-DBR层Al0.05Ga0.95As/Al0.85Ga0.15As时，将基片加热至620℃，第一步，喷淋头的进气孔041通入流量为8L/min的载气氢气和100sccm砷烷，进气孔043通入流量为14L/min载气氢气和500sccm砷烷，进气孔042通入80sccm携带有TMGa的氢气和20sccm的乙硅烷，同时进气孔042通入18sccm携带有TMAl的氢气，生长10s得到Al0.05Ga0.95As的高折射率层。第二步，喷淋头的进气孔041通入流量为8L/min的载气氢气和100sccm砷烷，进气孔043通入流量为14L/min载气氢气和660sccm砷烷，进气孔042通入14.4sccm携带有TMGa的氢气和20sccm的乙硅烷，同时进气孔042通入375sccm携带有TMAl的氢气，生长10s得到Al0.85Ga0.15As低折射率层。第一步和第二步生长得到的薄膜构成了一对n-DBR层，重复30次上述的第一步和第二步生长过程便完成了具有高反射率的n-DBR的生长。
生长结束后测量整片不同位置的反射谱，反射谱高反射带中心波长表征了该区域的DBR相对膜厚，高反射带中心波长越长的区域，膜厚越厚，高反射带中心波长越短的区域，膜厚越薄。生长完成后基片表面不同区域高反射带中心波长测量结果如图2所示，整片的波长std为2.6nm，膜厚均匀性较差，波长分布比较离散，表现为内圈比外圈厚，即靠近内圈的生长速率快于外圈的生长速率。为了优化单片的均匀性，第二次生长时，在上面第一步、第二步其余生长条件均保持不变的条件下，我们将流经进气孔043的载气流量调整为12L/min，生长完成后的测试结果如图3所示，整片的波长std为1.4nm，波长整体分布更加集中，内圈与外圈的膜厚分布更加均匀。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种提高VCSEL外延生长速率均匀性的方法，其特征在于：将基片放在圆形基板(07)上，对基板(07)加热，基板(07)围绕基板(07)的中心在平行于基板(02)的平面内自转，圆形基板(03)围绕基板(03)的中心在平行于基板(02)的平面内自转，经由进气孔(041)通入载气及Ⅴ族氢化物，经由进气孔(042)通入载气及含有Ⅲ族化合物的气体，经由进气孔(043)通入载气及Ⅴ族氢化物，Ⅴ族氢化物与Ⅲ族化合物在基片表面水平流过，并在基片表面生成Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜，未反应的气体及反应副产物经由排气孔(05)排出，增加进气孔043通入的载气流量，外圈生长速率降低，内圈生长速率升高；减小进气孔043通入的载气流量，外圈生长速率升高，内圈生长速率降低。
2.根据权利要求1所述的一种提高VCSEL外延生长速率均匀性的方法，其特征在于：所述的载气为氢气或者氮气。
3.根据权利要求1所述的一种提高VCSEL外延生长速率均匀性的方法，其特征在于：所述的经由进气孔(041)的Ⅴ族氢化物摩尔流量与所述的经由进气孔(043)的Ⅴ族氢化物摩尔流量总和，大于或等于所述的经由进气孔(042)进入的Ⅲ族元素摩尔流量的五倍。
4.根据权利要求1所述的一种提高VCSEL外延生长速率均匀性的方法，其特征在于：所述的Ⅴ族氢化物为氨气、砷烷、磷烷、锑化氢中的一种或多种的混合物。
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