CN111404025A - 一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法 - Google Patents

一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，包括：在衬底表面生长AlGaAs材料；在衬底表面生长AlGaAs材料的过程中进行生长停顿，将反应腔室内As原子耗尽；以及生长停顿结束后在AlGaAs材料表面生长AlGaInP材料。本发明提出的方法，通过调整各元素组分，利用各自材料特点，能够减小混合材料界面处的缺陷和位错。

Description

一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种混合材料的外延生长方法。
背景技术
大功率半导体激光器由于具有较高的输出功率和转换效率，已经被广泛应用于泵浦固体激光器、激光加工、打印、光存储、光通讯以及激光医疗等领域。近年来，随着大功率半导体激光器的应用越来越广泛，对其也提出了越来越高的要求。AlGalnP/AlGaAs半导体激光器是上世纪八十年代末、九十年代初开始发展起来的一类新型半导体光电子器件，其工作于红外波段，由于它具有体枳小、重量轻、发光效率高、工作电压低、耗能少、制作方便、工作稳定可靠、寿命长等一系列优点，得到广泛应用，电对其提出越来越高的要求。
AlGaInP激光器材料结构中的最大导带能隙差只有270meV，比AlGaAs材料小了80meV，AlGaAs/AlGaInP混合材料能带结构图如图1所示，材料1为AlGaAs，材料2为AlGaInP。AlGalnP材料的热阻是AlGaAs的2～3倍，因为其较小的导带能隙差，其对电子限制能力较低，电子有一定概率从有源区向P型限制层溢出，而较大的热电阻会导致较差的散热性，热的产生又会使得载流子的溢出更严重，使得在高温工作之下电子容易因为热能而从有源层溢流到P型限制层，在AlGaInP外层加入AlGaAs限制，AlGaAs具有良好的电子限制能力，AlGaInP具有良好的空穴限制能力。
采用AlGaAs/AlGaInP混合材料外延片制作的激光器具有高功率、高温特性良好等优势。而AlGaAs/AlGaInP混合材料由于存在晶格常数、热膨胀系数不同等问题，外延生长中易出现岛状生长、高位错、高缺陷水平的问题，严重影响激光器光电特性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，以解决混合材料界面处的缺陷和位错问题。
(二)技术方案
一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，包括：
在衬底表面生长AlGaAs材料；
在衬底表面生长AlGaAs材料的过程中进行生长停顿，将反应腔室内As原子耗尽；以及
生长停顿结束后在AlGaAs材料表面生长AlGaInP材料。
上述方案中，在衬底表面生长AlGaAs材料，是采用金属有机化学气相淀积方法。
上述方案中，采用金属有机化学气相淀积方法在衬底表面生长AlGaAs材料，采用的三族源为TMGa、TMAl，采用的五族源为AsH3、AsH3，N型材料掺杂剂为2％的SiH4或200ppm的Si2H6，P型AlGaAs掺杂剂为DEZn或CCl4，生长温度650至730℃，V/III比为60至300，生长压力为50至100mbar。
上述方案中，AlGaAs材料的厚度为0.5至5μm。
上述方案中，在衬底表面生长AlGaAs材料的过程中进行生长停顿，将反应腔室内As原子耗尽，包括：通过中止停断V族族源实现生长停顿，停断10秒至30秒，将反应腔室内As原子耗尽。
上述方案中，所述生长停顿结束后在AlGaAs材料表面生长AlGaInP材料，是采用金属有机化学气相淀积方法在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料。
上述方案中，在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料，包括：采用气相外延生长方法在AlGaAs材料表面上生长N-AlGaInP材料，所用的三族源为TMGa、TMAl、TMIn，所用的五族源为PH3，AsH3，采用N型掺杂剂为2％的SiH4或200ppm的Si2H6，总H2流量为5至50L/min，生长温度630至720℃，反应室压力为50至100mbar，V/III比为60至300，生长速率18至72nm/min。
上述方案中，在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料，包括：采用气相外延生长设备在N-AlGaInP材料上生长GaInAsP材料，所用的三族源为TMGa、TMIn，所用的五族源为PH3、AsH3，总H2流量5至50L/min，生长温度630至690℃，反应室压力为50至100mbar，V/III比为60至300，生长速率18至72nm/min。
上述方案中，在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料，包括：采用气相外延生长设备在GaInAsP材料上生长AlGaInP材料，所用的三族源为TMGa、TMIn、TMAl，所用的五族源为PH3，P型掺杂剂为DEZn，总H2流量为5至50L/min，生长温度600至680℃，反应室压力为50至100mbar，生长速率20至80nm/min。
上述方案中，在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料，包括：采用气相外延生长设备在AlGaInP材料上生长P-AlGaAs材料，所用的三族源为TMGa、TMAl，所用的五族源为PH3、AsH3，浓度都为100％，P型AlGaAs掺杂剂为DEZn或CCl4，总H2流量为5至50L/min，生长温度600至680℃，反应室压力为50至100mbar，生长速率20至80nm/min。
(三)有益效果
本发明提出的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，通过调整各元素组分，利用各自材料特点，能够减小混合材料界面处的缺陷和位错。
附图说明
图1是本发明实施例提供的AlGaAs/AlGaInP混合材料能带结构图。
图2为本发明实施例提供的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法流程图；
图3为本发明实施例提供的AlGaAs/AlGaInP混合材料的激光器外延结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2为本发明实施例的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤S11：在衬底表面生长AlGaAs材料；
步骤S12：在衬底表面生长AlGaAs材料的过程中进行生长停顿，将反应腔室内As原子耗尽；以及
步骤S13：生长停顿结束后在AlGaAs材料表面生长AlGaInP材料。
其中，步骤S11中所述在衬底表面生长AlGaAs材料，具体包括：对衬底进行腐蚀和清洗，之后在衬底表面生长1.2μm AlGaAs材料。
具体的，衬底片采用
Figure BDA0002431641630000041
N型GaAs衬底材料，晶向为100向＜111＞偏2-15°，GaAs衬底采用商用免清洗衬底。采用有机金属化学汽相淀积方法(Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD)在衬底表面生长AlGaAs材料，生长AlGaAs材料所用三族源为TMGa、TMAl，五族源为AsH3，AsH3浓度为100％。N型材料掺杂剂为2％的SiH4或200ppm的Si2H6，P型AlGaAs掺杂剂为DEZn或CCl4。生长温度650-730℃，V/III比为60-300，生长压力为50至100mbar。
步骤S12中所述在衬底表面生长AlGaAs材料的过程中进行生长停顿，将反应腔室内As原子耗尽，具体包括：通过中止停断V族族源供应停顿衬底生长。
通过中止停断V族族源(100％AsH3)实现生长停顿，停断10s至30s，将反应腔室内As原子耗尽。
步骤S13中所述生长停顿结束后在AlGaAs材料表面生长A1GaInP材料，包括：步骤S31至步骤S35。
步骤S31，在衬底生长0.15μm厚的N-AlGaInP材料。
气相外延生长方法生长N-AlGaInP材料所用三族源为TMGa、TMAl、TMIn，五族源为PH3，AsH3浓度都为100％，采用N型掺杂剂为2％的SiH4，总H2流量为5至50L/min，生长温度630℃至680℃，反应室压力为50至100mbar，V/III比为60至300，生长速率18至72nm/min。
步骤S32，生长9nm厚的GaInAsP材料。
气相外延生长设备生长GaInAsP材料所用三族源为TMGa、TMIn，五族源为PH3、AsH3浓度都为100％，总H2流量为10至50L/min，生长温度630至680℃，反应室压力为50至100mbar，V/III比为60至300，生长速率18至72nm/min。
步骤S33，生长0.15μm厚的AlGaInP材料。
气相外延生长设备生长AlGaInP材料所用三族源为TMGa、TMIn、TMAl，五族源为PH3，浓度都为100％，P型掺杂剂为DEZn或Cp2Mg。总H2流量为5至50L/min，生长温度630至680℃，反应室压力为50至100mbar，生长速率20至80nm/min。
步骤S34，生长1.2μm厚的P-AlGaAs材料。
气相外延生长设备生长P-AlGaAs材料所用三族源为TMGa、TMAl，五族源为AsH3，浓度为100％，P型AlGaAs掺杂剂为DEZn或CCl4，总H2流量为5至50L/min，生长温度630至680℃，反应室压力为50至100mbar，生长速率20至80nm/min。
步骤S35，生长0.2μm厚的P+-GaAs材料。
气相外延生长设备生长GaAs材料所用三族源为TMGa，五族源为AsH3，浓度为100％，P型GaAs掺杂剂为DEZn或CCl4，总H2流量为10至50L/min，生长温度520至650℃，反应室压力为50至100mbar，生长速率20至60nm/min。
通过以上步骤完成了一种包含AlGaAs/AlGaInP混合材料的激光器外延片生长，图3示出了本发明实施例提供的AlGaAs/AlGaInP混合材料的激光器外延结构图。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，包括：
在衬底表面生长AlGaAs材料；
在衬底表面生长AlGaAs材料的过程中进行生长停顿，将反应腔室内As原子耗尽；以及
生长停顿结束后在A1GaAs材料表面生长AlGaInP材料。
2.根据权利要求1所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述在衬底表面生长AlGaAs材料，是采用金属有机化学气相淀积方法。
3.根据权利要求2所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述采用金属有机化学气相淀积方法在衬底表面生长AlGaAs材料，采用的三族源为TMGa、TMAl，采用的五族源为AsH3、AsH3，N型材料掺杂剂为2％的SiH4或200ppm的Si2H6，P型AlGaAs掺杂剂为DEZn或CCl4，生长温度650至750℃，V/III比为60至300，生长压力为50至100mbar。
4.根据权利要求2所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述AlGaAs材料的厚度为0.5至5μm。
5.根据权利要求1所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述在衬底表面生长AlGaAs材料的过程中进行生长停顿，将反应腔室内As原子耗尽，包括：
通过中止停断V族族源实现生长停顿，停断10秒至30秒，将反应腔室内As原子耗尽。
6.根据权利要求1所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述生长停顿结束后在AlGaAs材料表面生长AlGaInP材料，是采用金属有机化学气相淀积方法在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料。
7.根据权利要求6所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料，包括：
采用气相外延生长方法在AlGaAs材料表面上生长N-AlGaInP材料，所用的三族源为TMGa、TMAl、TMIn，所用的五族源为PH3，AsH3，采用N型掺杂剂为2％的SiH4或200ppm的Si2H6，总H2流量为5至50L/min，生长温度630至720℃，反应室压力为50至100mbar，V/III比为60至300，生长速率18至72nm/min。
8.根据权利要求7所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料，包括：
采用气相外延生长设备在N-AlGaInP材料上生长GaInAsP材料，所用的三族源为TMGa、TMIn，所用的五族源为PH3、AsH3，总H2流量5至50L/min，生长温度630至690℃，反应室压力为50至100mbar，V/III比为60至300，生长速率18至72nm/min。
9.根据权利要求8所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料，包括：
采用气相外延生长设备在GaInAsP材料上生长AlGaInP材料，所用的三族源为TMGa、TMIn、TMAl，所用的五族源为PH3，P型掺杂剂为DEZn，总H2流量为5至50L/min，生长温度600至680℃，反应室压力为50至100mbar，生长速率20至80nm/min。
10.根据权利要求9所述的AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法，其特征在于，所述在AlGaAs材料表面上依次生长N-AlGaInP材料、GaInAsP材料、AlGaInP材料和P-AlGaAs材料，包括：
采用气相外延生长设备在AlGaInP材料上生长P-AlGaAs材料，所用的三族源为TMGa、TMAl，所用的五族源为PH3、AsH3，浓度都为100％，P型AlGaAs掺杂剂为DEZn或CCl4，总H2流量为5至50L/min，生长温度600至680℃，反应室压力为50至100mbar，生长速率20至80nm/min。
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