CN110854679B - 选择外延生长应变测量方法及量子阱激光器制作方法及量子阱激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种选择外延生长应变测量方法，包括如下步骤：1）在衬底上形成掩膜，在带有掩膜的衬底上选择外延生长材料；2）将选择外延生长区域以外的所有外延材料去除，将掩膜材料去除，仅仅剩下选择外延生长区域的材料；3）测量衬底上材料的应变，测量的应变为选择外延区域材料的应变。同时，提出一种利用该方法的选择外延生长量子阱激光器制作方法以及量子阱激光器。该方法能精确测量选择外延导致的应变的变化，从而为选择外延生长材料的表征提供一种低成本且精确的方法。且制作的量子阱激光器的性能良好。

Description

选择外延生长应变测量方法及量子阱激光器制作方法及量子 阱激光器
技术领域
本发明涉及信息光电子领域，尤其涉及一种MOCVD选择外延生长应变测量方法以及选择外延生长量子阱激光器制作方法以及量子阱激光器。
背景技术
光通信的半导体激光器一般在InP或者GaAs等IIIV族化合物半导体衬底上制备，为了将更多功能器件比如调制器、模斑转换器、无源波导等和激光器集成，需要在衬底上制备出不同带隙波长的材料，采用的方法包括选择外延生长，对接耦合生长，以及不同带隙波长的材料互相键合等方法。选择外延生长一般是在现在衬底上形成不同形状和大小的掩膜，掩膜覆盖的区域没有外延材料沉积，无掩膜覆盖的区域为正常的外延材料生长区域。典型的掩膜材料为SiO2，掩膜的形状一般为两条平行的SiO2长条，长条之间相隔一定的间隙，在间隙区（选择外延生长区）的生长速率高于无掩膜覆盖的平面区域的生长速率，从而在间隙区和平面区形成不同带隙波长的外延材料，通过这种选择外延生长方法，激光器、调制器、光放大器、模斑转换器等可以单片集成，形成光电子集成芯片。
在无掩膜的平面衬底上生长的与衬底匹配的材料，在选择外延生长过程中一般会引入应变，这是因为在选择生长区域生长速率会加快，不同成分的源材料的扩散长度不同，其在选择外延区域生长速率的增大倍数也不同，因而不同材料组分的比例会发生变化，导致应变的产生。由于激光器、调制器等都制作在选择外延生长区域，应变的改变会严重影响激光器的性能，因而需要一种准确测量选择外延生长区域应变的方法，由于选择外延区域的宽度一般是几十微米，传统的方法一般是微区X-ray衍射[Shigeru Kimura ,et al.,Jpn. J. Appl. Phys., Part2,vol.41,No.9A/B, 2002]，通过将X射线光斑缩小到几十微米量级并将光斑准确照射到选择外延生长区域，能够精确测量选择外延区域材料的应变和组分，然后这种方法需要精密而昂贵的X-ray衍射设备，普通的X-ray衍射方法能准确测量应变，但是X射线的光斑过大，远远超过选择外延生长区域的大小，因而普通X-ray测量的是选择外延区和无选择外延区的平均应变和组分，导致测量不准确。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种新型的测量选择外延生长应变的方法，同时提出一种利用该方法的选择外延生长量子阱激光器制作方法以及量子阱激光器。
本发明的目的是采用下述方案实现的：本发明公开了一种选择外延生长应变测量方法，包括如下步骤：
1）在衬底上形成掩膜，在带有掩膜的衬底上选择外延生长材料；
2）将选择外延生长区域以外的所有外延材料去除，将掩膜材料去除，仅仅剩下选择外延生长区域的材料；
3）测量衬底上材料的应变，测量的应变为选择外延区域材料的应变。
进一步地，步骤3）通过X-ray衍射方法测量应变。
通过光刻工艺将选择外延生长区域以外的所有外延材料去除，将掩膜材料去除，仅仅剩下选择外延生长区域的材料。
进一步地，掩膜材料采用SiO2。
进一步地，在衬底上形成掩膜，包括：
在半导体衬底上形成多对长条形掩膜，掩膜覆盖的区域没有外延材料沉积，无掩膜覆盖的区域为正常的外延材料生长区域；每对长条形掩膜平行间隔设置，每对长条形掩膜之间的间隙区为选择外延生长区域。
本发明公开了一种选择外延生长量子阱激光器制作方法，包括如下步骤：
1）利用上述测量选择外延生长应变的方法测量下波导层材料的应变，设为ε；
2）在半导体衬底上形成掩膜，在衬底上依次生长与衬底晶格匹配的缓冲层、下波导层、量子阱层以及上波导层；
生长下波导层，包括：生长应变量为-ε的应变补偿下波导层；
生长上波导层，包括：生长应变量为-ε的应变补偿上波导层；
3)去掉掩膜层，生长激光器的其他层。
进一步地，生长量子阱层，包括：生长应变量相对于设计应变值增加-ε的量子阱层。一般波导层的应变应该为零才能获得较好的性能，但是选择外延使得波导层产生应变，导致激光器性能的裂化，通过预先加入一个相反的应变补偿选择外延导致的应变改变，从而使得上下波导层的实际应变为零，能提高激光器的性能。
进一步地，掩膜材料采用SiO2。
本发明公开了一种量子阱激光器，采用上述选择外延生长量子阱激光器制作方法制作而成。
本发明具有的优点是：本发明在衬底上形成掩膜，在带有掩膜的衬底上选择外延生长材料；通过常见的光刻工艺将选择外延生长区域以外的外延材料去除，再利用传统的X-ray衍射方法就可以测量选择外延生长区域的应变，因为选择外延区域以外的材料已全部去除，因而测量的应变为选择外延区域材料的应变，从而避免使用昂贵的微区X-ray衍射设备，该方法能精确测量选择外延导致的应变的变化，从而为选择外延生长材料的表征提供一种低成本且精确的方法。
由于本发明利用该方法的选择外延生长量子阱激光器制作方法在半导体衬底上形成SiO2的掩膜，利用上述方法测量下波导层的应变，假定为ε；在半导体衬底上形成SiO2的掩膜，生长缓冲层，生长应变量为-ε的应变补偿下波导层，生长应变量增加-ε的量子阱层，生长应变量为-ε的应变补偿上波导层；去掉SiO2掩膜层，生长激光器的其他层，该激光器通过选择外延生长的方法制作，上下波导层设计为-ε的应变，选择外延生长的机理使得上下波导层的应变增加ε，综合效果是上下波导层的应变为零，从而避免了上下波导层因选择外延引起的较大的应变导致的材料缺陷的产生，使得制作的量子阱激光器的性能良好。
附图说明
图1 为本发明实施例一的选择外延掩膜图形的示意图；
图2为本发明实施例一的过程中选择外延生长后腐蚀区域示意图（斜划线填充区域为SiO2掩膜区域，黑色填充区域为选择外延生长区域）；
图3 为本发明实施例一的腐蚀前后X-ray 衍射曲线；
图4为本发明MOCVD选择外延生长材料截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明方案做进一步说明。
实施例一
本实施例公开了一种选择外延生长应变测量方法，包括如下步骤：
1）在半导体材料衬底上形成SiO2的掩膜1，在带有掩膜的衬底上选择外延生长材料；
2）通过光刻工艺将选择外延生长区域2以外的所有外延材料去除，将SiO2掩膜材料去除，仅仅剩下选择外延生长区域的材料；
3）通过X-ray衍射仪测量应变，因为选择外延区域以外的材料已全部去除，因而测量的应变为选择外延区域材料的应变。该方法无需使用昂贵的微区X-ray衍射设备测量选择外延生长区域的应变，从而为选择外延生长材料的表征提供一种低成本且精确的方法。
进一步地，在衬底上形成掩膜，包括：
在半导体衬底上形成多对长条形掩膜，掩膜覆盖的区域没有外延材料沉积，无掩膜覆盖的区域为正常的外延材料生长区域；每对长条形掩膜平行间隔设置，每对长条形掩膜之间的间隙区为选择外延生长区域。
本实施例的掩膜形状设计为长方块，可以参见图1所示的多个斜划线填充的长方块区域，即为SiO2掩膜区域，长方块的长度为200um，宽度为100um。每对长方块互相平行，每对长方块之间的间距为20um，形成一个掩膜单元。
作为优选的，在半导体衬底上沿横向和纵向均匀形成有多个掩膜单元，横向相邻两个掩膜单元之间的间距为40um。纵向相邻两个掩膜单元之间的间距为100um。即掩膜单元沿横向和纵向重复，重复周期为260um和300um。在每个掩膜单元的两个长方块之间的20um的间隙区域生长速率会加快，设定为选择外延生长区域，该区域的生长速率和应变与无SiO2掩膜覆盖的平面区域不同。
InP衬底上形成如图1所示的SiO2掩膜，然后通过MOCVD或者MBE选择外延生长体材料InGaAsP，为了测量20um间隙区域（选择外延生长区域）的应变，如图2所示，利用光刻工艺将20um间隙区域（黑色块填充区域所示）以外的外延层全部腐蚀掉，同时腐蚀掉SiO2掩膜层，然后通过X-ray衍射仪测量应变，测量出的应变为选择外延区域的应变。
如图3所示分别为腐蚀前后的X-ray衍射曲线，腐蚀前有两个衍射强度峰，分别对应平面区域和20um间隙区域的材料应变，腐蚀后仅仅只剩下一个峰，对应20um间隙区域的应变，从X-ray 衍射角度推断应变为0.3%。
实施例二
参见图4，本实施例公开了一种选择外延生长量子阱激光器制作方法，包括如下步骤：
1）利用实施例一公开的选择外延生长应变测量方法测量下波导层材料的应变，设为ε；
2）在半导体衬底上形成SiO2的掩膜，如图4所示的1，根据需要在半导体衬底上依次生长各个外延层，如在InP衬底上，依次生长InP缓冲层、下波导层、量子阱层、上波导层，如图4所示的缓冲层3、下波导层4、量子阱层5、上波导层6以及缓冲层7、下波导层8、量子阱层9、上波导层10。
生长下波导层，具体包括：生长应变量为-ε的应变补偿下波导层。本实施例利用实施例一测量出的应变量0.3%，生长应变补偿（-0.3%应变）的InGaAsP下波导层。
生长量子阱层，具体包括：生长应变量增加-ε的量子阱层。本实施例利用实施例一测量出的应变量0.3%，生长应变量相对于设计应变值应变增加-0.3%的量子阱层，比如量子阱设计应变为1%，则生长应变为0.7%，在选择外延区域实际应变会增加0.3%，从而使得选择外延区域的实际应变为1%，达到设计值的要求。
生长上波导层，具体包括：生长应变量为-ε的应变补偿上波导层。本实施例利用实施例一测量出的应变量0.3%，生长应变量为-0.3%的上波导层。
3)去掉SiO2掩膜层，生长激光器的其他层，如光限制层，接触层等。
一般波导层的应变应该为零才能获得较好的性能，但是选择外延使得波导层产生应变，导致激光器性能的裂化，通过预先加入一个相反的应变补偿选择外延导致的应变，从而使得上下波导层的实际应变为零，能提高激光器的性能。
以上所述实施例也适用于AlGaInAs, InGaAsP，InGaAs,AlGaAs等量子阱激光器。实施例仅表达了本发明的1种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种选择外延生长应变测量方法，其特征在于,包括如下步骤：
1）在衬底上形成长条形掩膜，在带有掩膜的衬底上选择外延生长材料；掩膜覆盖的区域没有外延材料沉积，无掩膜覆盖的区域为正常的外延材料生长区域；每对长条形掩膜平行间隔设置，每对长条形掩膜之间的间隙区为选择外延生长区域，在每对长条形掩膜之间的间隙区即选择外延生长区域的生长速率高于无掩膜覆盖的平面区域的生长速率；
2）将选择外延生长区域以外的所有外延材料去除，将掩膜材料去除，仅仅剩下选择外延生长区域的材料；
3）测量衬底上材料的应变，测量的应变为选择外延区域材料的应变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3）通过X-ray衍射方法测量应变。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过光刻工艺将选择外延生长区域以外的所有外延材料去除，将掩膜材料去除，仅仅剩下选择外延生长区域的材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：掩膜材料采用SiO2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在半导体衬底上形成多对长条形掩膜。
6.一种选择外延生长量子阱激光器制作方法，其特征在于,包括如下步骤：
1）利用权利要求1至5任一所述的方法测量下波导层材料的应变，设为ε；
2）在半导体衬底上形成掩膜，在衬底上依次生长与衬底匹配的缓冲层、下波导层、量子阱层以及上波导层；
生长下波导层，包括：生长应变量为-ε的应变补偿下波导层；
生长上波导层，包括：生长应变量为-ε的应变补偿上波导层；
通过预先加入一个相反的应变补偿选择外延导致的应变，从而使得上下波导层的实际应变为零；
3）去掉掩膜层，生长激光器的其他层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：生长量子阱层，包括：生长应变量相对设计应变值增加-ε的量子阱层。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：掩膜材料采用SiO2。
9.一种量子阱激光器，其特征在于:采用权利要求6所述的方法制作而成。
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