CN113783107B - 一种量子级联激光器的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种量子级联激光器的制造方法，包括以下步骤：形成脊形外延区，包括自衬底层上依次形成的缓冲层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层；脊形外延区具有倾斜侧面，倾斜侧面自衬底层起依次包括缓冲层的侧面、下波导层的侧面、有源层的侧面、上波导层的侧面和上限制层的侧面。对脊形外延区的倾斜侧面进行脱氧处理。其中脱氧处理的步骤包括：使用处理液去除倾斜侧面表面的氧化层。在保护气体的气氛下预加热脊形外延区至第一温度，第一温度低于有源层的材料发生热分解的温度。单独预加热处理气体至第二温度，第二温度大于第一温度。向处于第一温度的脊形外延区通入处于第二温度的处理气体，并维持脊形外延区的温度持续一反应时间。

Description

一种量子级联激光器的制造方法
技术领域
本发明涉及量子级联激光器领域，具体涉及一种量子级联激光器的制造方法。
背景技术
量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,简称QCL)是一种利用电子在同一导带的量子化子带能级间跃迁而发射光子的半导体激光器。量子级联激光器的激射波长可由耦合量子阱的厚度调节，从而不受禁带宽度的限制，量子级联激光器的激射波长可达到中红外甚至太赫兹波段。近年来，随着量子级联激光器的性能的不断提升，它已经作为一种非常具有竞争力的中远红外光源深入到许多的应用领域中，比如痕量气体检测、自由空间光通信等领域。
参考图1-图4，一种通常的量子级联激光器的制造方法中包括以下步骤：如图1，形成初始外延区。在衬底层110上形成外延区，外延区包括自衬底层110上依次形成的缓冲层120、下波导层130、有源层140、上波导层150和上限制层160，其中缓冲层120同时也起到下限制层的作用。如图2，形成脊形外延区。在上限制层160背向衬底层110一侧表面形成掩膜层170，之后刻蚀初始外延区，形成脊形外延区100a和脊形外延区100a两侧的沟槽区100b，脊形外延区100a两侧具有自缓冲层120与衬底层的界面延伸至上限制层160和掩膜层170的界面的倾斜侧面(图中未标号)。如图3，形成沟槽半导体层180。在沟槽区100b中填充半导体材料，形成覆盖脊形外延区100a的侧部的沟槽半导体层180，沟槽半导体层180完全填充沟槽区100b。最后如图4所示去除掩膜层170。在该制造方法的过程中，在脊形外延区100a形成后，至形成沟槽半导体层180的过程中，由于温度较高，脊形外延区100a的倾斜侧面上，特别是有源层140的侧面，容易发生材料的热分解和退化，造成量子级联激光器的性能不理想。
下面以衬底层110的材料包括InP；缓冲层120的材料包括InP；下波导层130的材料包括InGaAs；上波导层150的材料包括InGaAs；上限制层160的材料包括InP；有源层140由不同组分厚度的多层InGaAs和InAlAs交替层叠形成；沟槽半导体层180的材料包括掺杂Fe的InP的情况为例进行分析说明。
第一，在图3所示的形成沟槽半导体层的过程中，在MOCVD反应室中进行，且生长InP的温度在550℃～700℃之间，即必须将反应室温度升高到550℃～700℃的范围，才能生长高质量的InP外延层，如果在低温下生长，则InP的晶体质量会很差。在反应室中，当温度由室温(25℃)升高到生长温度的过程中，必须通入保护气氛(通常是含As的气氛和含P的气氛)，否则InP、InGaAs、InAlAs表面会发生热分解，导致表面退化。在初始外延层刚进入反应室中时，InGaAs/InAlAs是含As的表面，而InP是含P的表面，只通入含As气氛(例如AsH3)会造成InP表面退化，而只通入含P气氛(例如PH3)会造成InGaAs/InAlAs表面退化。
第二，在图2所示的刻蚀初始外延区形成脊形外延区100a的过程中，有源层140的侧部表面会暴露在空气中，由于材料包括InGaAs和InAlAs，其中的Al接触空气或溶液易发生氧化，在有源层140的侧部表面形成氧化缺陷。因此在进行图3所示的形成沟槽半导体层的步骤前，通常需要进行脱氧处理。常规的脱氧手段都是让脊形外延区在保护性气氛、高温的条件下处理一段时间，但是如上述第一点中的，温度越高，有源层140的表面退化越严重。
因此对于上述问题，一是要解决如何去除氧化层的问题，因为有源层界面附着的氧化层会影响二次外延生长的材料质量，降低激光器性能，故而氧化层必须去掉。但氧化层不能高温去除，否则会导致有源层发生热分解和退化；二是氧化层去除完成后，在生长沟槽半导体层过程中，除了有源层热分解和退化，砷化物/磷化物混合界面也会退化。
因此需要一种方案，以解决量子级联激光器制造过程中砷化物/磷化物混合界面、有源层发生热分解和退化的问题。
发明内容
因此本发明提供一种量子级联激光器的制造方法，以解决量子级联激光器制造过程中砷化物/磷化物混合界面、有源层发生热分解和退化的问题。
本发明提供一种量子级联激光器的制造方法，包括以下步骤：形成脊形外延区，脊形外延区包括自衬底层上依次形成的缓冲层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层；脊形外延区具有倾斜侧面，倾斜侧面自衬底层起依次包括缓冲层的侧面、下波导层的侧面、有源层的侧面、上波导层的侧面和上限制层的侧面；对脊形外延区的倾斜侧面进行脱氧处理；其中脱氧处理的步骤包括：使用处理液去除倾斜侧面表面的氧化层；在保护气体的气氛下预加热脊形外延区至第一温度，第一温度低于有源层的材料发生热分解的温度；单独预加热处理气体至第二温度，第二温度大于第一温度；向处于第一温度的脊形外延区通入处于第二温度的处理气体，并维持脊形外延区的温度持续一反应时间。
可选的，形成衬底层的材料包括InP；形成缓冲层的材料包括InP；形成下波导层的材料包括InGaAs；形成上波导层的材料包括InGaAs；形成上限制层的材料包括InP；有源层由不同组分厚度的多层InGaAs和InAlAs交替层叠形成。
可选的，处理气体包括H2和PH3的混合气体；
可选的，处理气体还包括AsH3。
可选的，第一温度为430℃～470℃，第二温度为580℃～620℃；脱氧处理的反应时间为10min～30min。
可选的，量子级联激光器的制造方法，还包括以下步骤：形成沟槽半导体层：在脱氧处理的步骤之后，在脊形外延区两侧的沟槽区中填充半导体材料，形成覆盖脊形外延区的侧部的沟槽半导体层，沟槽半导体层完全填充沟槽区；其中，形成沟槽半导体层的步骤包括：形成第一沟槽半导体层，在脊形外延区的侧部表面形成第一沟槽半导体层；形成第二沟槽半导体层，在第一沟槽半导体层背向脊形外延区一侧表面和背向衬底层一侧表面形成第二沟槽半导体层，第二沟槽半导体层完全填充沟槽区。
可选的，形成第一沟槽半导体层的步骤中的温度小于形成第二沟槽半导体层的步骤中的温度。
可选的，形成第一沟槽半导体层的厚度为第二沟槽半导体层的厚度的1/10000～1/500。
可选的，形成第一沟槽半导体层的步骤中，反应温度为450℃～520℃；形成第二沟槽半导体层的步骤中，反应温度为550℃～620℃。
可选的，第一沟槽半导体层的厚度为1nm～10nm；第二沟槽半导体层的厚度为5μm～10μm。
可选的，形成沟槽半导体层的材料包括掺杂Fe的InP。形成第一沟槽半导体层的步骤包括：以H2为载气，通入第一源物质组进行外延生长，第一源物质组包括叔丁基磷、三甲基铟、磷烷、二茂铁。形成第二沟槽半导体层的步骤包括：以H2为载气，通入第二源物质组进行外延生长，第二源物质组包括三甲基铟、磷烷、二茂铁。
本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的量子级联激光器的制造方法，在对脊形外延区的倾斜侧面进行脱氧处理的过程中，将脊形外延区预加热升温至相对较低的第一温度，同时将处理气体预加热升温至相对较高的第二温度，使得在反应接触时，第一温度本身相对较低，脊形外延区的材料不会发生热分解，未氧化的材料也不会与处理气体产生反应发生退化；同时处理气体的温度较高适于部分成分有效分解，增强氧化层的去除效果。从而使得最终形成的量子级联激光器性能可以得到提升。
2.本发明提供的量子级联激光器的制造方法，先通过在相对较低的温度下在脊形外延区的倾斜侧面上形成薄层的第一沟槽半导体层，再在相对较高的温度下形成第二沟槽半导体层，这样在形成第一沟槽半导体层时，脊形外延区的倾斜侧面，特别是有源层的侧部表面的温度相对较低，不易发生热分解；在形成第二沟槽半导体层时，虽然温度升高，但是由于脊形外延区的倾斜表面，特别是有源层的侧部表面已经被第一沟槽半导体层覆盖包覆，难以发生分解散逸。因此最终形成的量子级联激光器性能可以得到提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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-图4为一种量子级联激光器的制造方法的流程状态示意图；
图5-图9为本发明的一实施例的量子级联激光器的制造方法的流程状态示意图；
图10为本发明的量子级联激光器的制造方法的一实施例的流程图；
图11为本发明的量子级联激光器的制造方法的另一实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供的量子级联激光器的制造方法包括以下步骤：
形成初始外延区，在衬底层上形成初始外延区，外延区包括自衬底层上依次形成的缓冲层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层。
形成脊形外延区，在上限制层背向衬底层一侧表面形成掩膜层，之后刻蚀初始外延区，形成脊形外延区和脊形外延区两侧的沟槽区，脊形外延区两侧具有自缓冲层与衬底层的界面延伸至上限制层和掩膜层的界面的倾斜侧面。
对脊形外延区的倾斜侧面进行脱氧处理。
形成沟槽半导体层，在沟槽区中填充半导体材料，形成覆盖脊形外延区的侧部的沟槽半导体层，沟槽半导体层完全填充沟槽区。
去除掩膜层。
其中，脱氧处理的步骤包括：
使用处理液去除倾斜侧面表面的氧化层。
在保护气体的气氛下预加热脊形外延区至第一温度，第一温度低于有源层的材料发生热分解的温度。
单独预加热处理气体至第二温度，第二温度大于第一温度。
向处于第一温度的脊形外延区通入处于第二温度的处理气体，并维持脊形外延区的温度持续一反应时间。
进一步的，形成沟槽半导体层的步骤还可以包括：
形成第一沟槽半导体层，在脊形外延区的侧部表面形成第一沟槽半导体层。
形成第二沟槽半导体层，在第一沟槽半导体层背向脊形外延区一侧表面和背向衬底层一侧表面形成第二沟槽半导体层，第二沟槽半导体层完全填充沟槽区。
进一步的，形成第一沟槽半导体层的步骤中的温度小于形成第二沟槽半导体层的步骤中的温度。
进一步的，形成第一沟槽半导体层的厚度为第二沟槽半导体层的厚度的1/10000～1/500。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
参考图5-图9，以及图10、图11。
本实施例提供一种量子级联激光器的制造方法，包括以下步骤：
形成初始外延区。如图5所示，在衬底层210上形成初始外延区，初始外延区包括自衬底层上依次形成的缓冲层220、下波导层230、有源层240、上波导层250和上限制层260。其中缓冲层220同时也起到下限制层的作用。
形成脊形外延区。如图6所示，在上限制层260背向衬底层210一侧表面形成掩膜层270，之后刻蚀初始外延区，形成脊形外延区200a和脊形外延区200a两侧的沟槽区200b，脊形外延区200a两侧具有自缓冲层220与衬底层210的界面延伸至上限制层260和掩膜层270的界面的倾斜侧面(图中未标号)。
形成沟槽半导体层。如图7-图8所示，在沟槽区200b中填充半导体材料，形成覆盖脊形外延区200a的侧部的沟槽半导体层280，沟槽半导体层280完全填充沟槽区。
去除掩膜层。如图9所示。
具体的，形成衬底层210的材料包括InP。形成缓冲层的材料包括InP。形成下波导层的材料包括InGaAs。形成上波导层的材料包括InGaAs。形成上限制层的材料包括InP。
有源层由不同组分厚度的多层InGaAs和InAlAs交替层叠形成。
形成沟槽半导体层的材料包括掺杂Fe的InP。
其中，在形成脊形外延区200a的步骤之后，且在形成沟槽半导体层280的步骤之前，对脊形外延区200a的倾斜侧面进行脱氧处理。
其中脱氧处理的步骤包括：
使用处理液去除倾斜侧面表面的氧化层。
在保护气体的气氛下预加热脊形外延区200a至第一温度，第一温度低于有源层240的材料发生热分解的温度。
单独预加热处理气体至第二温度，第二温度大于第一温度。
向处于第一温度的脊形外延区200a通入处于第二温度的处理气体，并维持脊形外延区200a的温度持续一反应时间。
在本实施例中，
处理液为包含HBr的水溶液。
处理气体包括H2和PH3的混合气体。
第一温度为430℃～470℃，例如可以为430℃、450℃、470℃；第二温度为580℃～620℃，例如可以为580℃、600℃、620℃；脱氧处理的反应时间为10min～30min，例如可以为10min、20min、30min。
具体的一个流程如下：
首先对待处理的脊形外延区200a进行表面处理，使用包含HBr的水溶液处理脊形外延区200a表面，去掉脊形外延区200a表面，特别是倾斜侧面表面的氧化层。之后将脊形外延区200a迅速转移到MOCVD设备的反应室中，置于N2的保护气氛之下。反应室内部采用预加热的方式，先将脊形外延区200a加热至450℃。同时，包含H2和PH3的混合气体的处理气体预加热至600℃。随后，将反应室内的N2保护气氛切换成包含H2和PH3的处理气体的气氛。在该气氛下，脊形外延区200a在450℃维持静置10min～30min。
通过采用预加热的方式，H2和PH3与脊形外延区200a接触前先被加热到600℃甚至以上，然后被输送至脊形外延区200a的倾斜侧面的表面。样品表面的温度保持为450℃。PH3在600℃以上加热后能够有效分解，产生H原子，这些H原子有助于去除脊形外延区200a的倾斜侧面的表面的氧化层。同时，由于此时脊形外延区200a的温度仅有450℃，此时砷化物表面很稳定，不易被PH3腐蚀；而磷化物表面则得到PH3的保护，不会退化。因此既能够有效去除样品表面的氧化物，同时也不会破坏样品的表面形貌。从而使得最终完成的量子级联激光器的各层参数更接近设计值，性能能够得到提升。
在其他一些实施例中，处理气体还包括AsH3。在上述流程中，砷化物表面仍可能被PH3微量腐蚀，为了进一步保护砷化物表面，还可以在气氛中通入少量AsH3。
进一步的，在其他一些实施例中，形成沟槽半导体层的步骤还可以包括：
形成第一沟槽半导体层。如图7所示，在脊形外延区200a的侧部表面形成第一沟槽半导体层281。
形成第二沟槽半导体层。如图8所示，在第一沟槽半导体层281背向脊形外延区200a一侧表面和背向衬底层210一侧表面形成第二沟槽半导体层282，第二沟槽半导体层282完全填充沟槽区200b。
第一沟槽半导体层的厚度为1nm～10nm，例如可以为1nm、5nm、10nm；
第二沟槽半导体层的厚度为5μm～10μm，例如可以为5μm、7μm、10μm。
具体的，在形成沟槽半导体层的步骤中：
形成第一沟槽半导体层的步骤包括：
以H2为载气，通入第一源物质组进行外延生长，第一源物质组包括叔丁基磷、三甲基铟、磷烷、二茂铁。反应温度为450℃～520℃，例如可以为450℃、480℃、520℃。
形成第二沟槽半导体层的步骤包括：
以H2为载气，通入第二源物质组进行外延生长，第二源物质组包括三甲基铟、磷烷、二茂铁。反应温度为550℃～620℃，例如可以为550℃、580℃、620℃。
本实施例的量子级联激光器的制造方法，先通过在相对较低的温度下在脊形外延区200a的倾斜侧面上形成薄层的第一沟槽半导体层281，再在相对较高的温度下形成第二沟槽半导体层282，这样在形成第一沟槽半导体层281时，脊形外延区200a的倾斜侧面，特别是有源层240的侧部表面的温度相对较低，不易发生热分解，同时低温可防止砷化物/磷化物混合界面退化；在形成第二沟槽半导体层282时，虽然温度升高，但是由于脊形外延区200a的倾斜侧面，特别是有源层240的侧部表面已经被第一沟槽半导体层覆盖包覆，难以发生分解散逸。因此最终形成的量子级联激光器性能可以得到提升。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种量子级联激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
形成脊形外延区，所述脊形外延区包括自衬底层上依次形成的缓冲层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层；所述脊形外延区具有倾斜侧面，所述倾斜侧面自所述衬底层起依次包括所述缓冲层的侧面、所述下波导层的侧面、所述有源层的侧面、所述上波导层的侧面和所述上限制层的侧面；
对所述脊形外延区的倾斜侧面进行脱氧处理；
其中所述脱氧处理的步骤包括：
使用处理液去除所述倾斜侧面表面的氧化层；
在保护气体的气氛下预加热所述脊形外延区至第一温度，所述第一温度低于所述有源层的材料发生热分解的温度；
单独预加热处理气体至第二温度，所述第二温度大于第一温度；
向处于第一温度的所述脊形外延区通入处于所述第二温度的所述处理气体，并维持所述脊形外延区的温度持续一反应时间。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
形成所述衬底层的材料包括InP；形成所述缓冲层的材料包括InP；形成所述下波导层的材料包括InGaAs；形成所述上波导层的材料包括InGaAs；形成所述上限制层的材料包括InP；
所述有源层由不同组分厚度的多层InGaAs和InAlAs交替层叠形成。
3.根据权利要求2所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
所述处理气体包括H2和PH3的混合气体。
4.根据权利要求3所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
所述处理气体还包括AsH3。
5.根据权利要求3所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
所述第一温度为430℃～470℃，所述第二温度为580℃～620℃；
所述脱氧处理的所述反应时间为10min～30min。
6.根据权利要求2所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：
形成沟槽半导体层：在所述脱氧处理的步骤之后，在所述脊形外延区两侧的沟槽区中填充半导体材料，形成覆盖所述脊形外延区的侧部的沟槽半导体层，所述沟槽半导体层完全填充所述沟槽区；
其中，所述形成沟槽半导体层的步骤包括：
形成第一沟槽半导体层，在所述脊形外延区的侧部表面形成第一沟槽半导体层；
形成第二沟槽半导体层，在所述第一沟槽半导体层背向所述脊形外延区一侧表面和背向衬底层一侧表面形成第二沟槽半导体层，所述第二沟槽半导体层完全填充所述沟槽区。
7.根据权利要求6所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
所述形成第一沟槽半导体层的步骤中的温度小于所述形成第二沟槽半导体层的步骤中的温度。
8.根据权利要求6所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
所述形成第一沟槽半导体层的厚度为所述第二沟槽半导体层的厚度的1/10000～1/500。
9.根据权利要求6所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
形成所述第一沟槽半导体层的步骤中，反应温度为450℃～520℃；
形成所述第二沟槽半导体层的步骤中，反应温度为550℃～620℃。
10.根据权利要求6所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
所述第一沟槽半导体层的厚度为1nm～10nm；
所述第二沟槽半导体层的厚度为5μm～10μm。
11.根据权利要求6所述的量子级联激光器的制造方法，其特征在于，
形成所述沟槽半导体层的材料包括掺杂Fe的InP；
形成所述第一沟槽半导体层的步骤包括：
以H2为载气，通入第一源物质组进行外延生长，所述第一源物质组包括叔丁基磷、三甲基铟、磷烷、二茂铁；
形成所述第二沟槽半导体层的步骤包括：
以H2为载气，通入第二源物质组进行外延生长，所述第二源物质组包括三甲基铟、磷烷、二茂铁。
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