調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層及其生長方法
【專利摘要】本發明公開了一種調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層及其生長方法，本發明將金屬有機物化學氣相沉積反應室內的氣壓設置為預定氣壓，并將反應氣體和MO源通入金屬有機物化學氣相沉積反應室，在預定溫度下反應氣體和MO源發生反應生成調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層，其中，反應氣體為磷烷以及砷烷；MO源為三甲基鋁、三甲基銦、三甲基鎵、三乙基鎵、P型摻雜源二甲基鋅或P型摻雜源二乙基鋅。利用本發明的方法生成的調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層是一種高線性度AlGaInAs量子阱外延，其壓應變增大，從而能降低俄歇復合，帶間吸收，可以達到改善器件高溫特性的作用以及有源區量子阱的外量子效率、內量子效率和轉換效率、提高張弛振蕩頻率。
【專利說明】
調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層及其生長方法
技術領域
[0001] 本發明涉及半導體激光器領域，更具體涉及一種調制摻雜型多周期應變補償量子 阱外延層及其生長方法。
【背景技術】
[0002] 半導體激光器從最初的低溫25°C運轉發展到室溫下連續工作，現在發展到在高溫 85°C連續工作，其半導體激光器有源區從同質結發展成單異質結、雙異質結、量子阱(單、多 量子阱）等多種形式，歸根到底是提高了半導體有源層材料的外量子效率及內量子效率和 轉換效率。
[0003] 現有技術中，AlGalnAs/InP材料量子阱結構中導帶偏移ΔEc = 0.4ΔEg，這樣只能 具有較小的電子限制勢，當激光器在高溫條件或高載流子密度的情況下，容易發生載流子 穿越勢皇層發生泄漏，以及因為電子無法限制在量子阱內而發生非輻射復合、降低內量子 效率等效應，將造成激光器性能下降。
[0004] 通過加大量子阱阱層材料的壓應變能降低俄歇復合、帶間吸收，從而達到改善器 件高溫特性的作用，同時功率也會相應提高。但是加大量子阱有源區阱層材料應變后，高失 配引起的應力容易造成晶格馳豫，由二維生長變為三維生長，銦原子易迀移形成富In的"小 島"，高質量的量子阱要求二維生長，這是因為三維生長會造成很多缺陷，影響量子阱的發 光效率。
[0005] 由于量子阱有源區中阱層材料應變加大及多周期累加，其量子阱有源區整體應變 進一步加大，給大應變、多周期量子阱材料外延生長質量帶來了困難。因此提高有源區材料 的外延質量，減少各種缺陷和雜質的濃度是提高外量子效率及內量子效率和轉換效率的最 佳途徑，因此如何提高有源區的外延生長質量成為急需解決的問題。
【發明內容】
[0006] (一)要解決的技術問題
[0007] 本發明要解決的技術問題是如何提高有源區的外延生長質量。
[0008] (二)技術方案
[0009] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種調制摻雜型多周期應變補償量子阱外 延層生長方法，所述方法包括以下步驟：
[0010] S1、對金屬有機物化學氣相沉積反應室進行清洗，之后將襯底放入所述金屬有機 物化學氣相沉積反應室；
[0011] S2、將所述金屬有機物化學氣相沉積反應室內的氣壓設置為預定氣壓，并將反應 氣體和M0源通入所述金屬有機物化學氣相沉積反應室，在預定溫度下所述反應氣體和M0源 發生反應生成調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層；
[0012] S3、降低所述金屬有機物化學氣相沉積反應溫度，向所述金屬有機物化學氣相沉 積反應室充入氮氣，并升高所述金屬有機物化學氣相沉積反應室的氣壓，之后將生成的所 述調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層取出；
[0013] 其中，所述反應氣體為磷烷以及砷烷；
[0014] 所述M0源為三甲基鋁、三甲基銦、三甲基鎵、三乙基鎵、P型摻雜源二甲基鋅或P型 摻雜源二乙基鋅。
[0015] 優選地，所述P型摻雜源二甲基鋅或P型摻雜源二乙基鋅的摻雜濃度為1017cm3~ 1018cm3。
[0016] 優選地，所述步驟S2中利用載氣將所述反應氣體和M0源帶入所述金屬有機物化學 氣相沉積反應室；
[0017] 所述步驟S3中，降低所述金屬有機物化學氣相沉積反應溫度之前首先關閉所述載 氣。
[0018] 優選地，所述預定氣壓為20mbar~lOmbar;所述預定溫度為550度~750度。
[0019]優選地，所述步驟S2中，在預定溫度下所述反應氣體和M0源發生反應生成調制摻 雜型多周期應變補償量子阱外延層具體包括以下步驟：
[0020] S21、在所述襯底上生成緩沖層；
[0021] S22、在所述緩沖層上生成第一外波導層；
[0022] S23、在所述第一外波導層上依次生成U型層和η型層；
[0023] S24、在所述η型層上生成多量子阱層，其中所述多量子阱層包括量子阱層和量子 皇層；
[0024] S25、在所述多量子阱層上生成第二外波導層；
[0025] S26、在所述第二外波導層上生成Ρ型層。
[0026]優選地，所述量子阱層中量子阱的數目大于或等于5并且小于10。
[0027] 優選地，所述量子阱層為未摻雜的AlxlGaylIn(1-xl- yl)As，其中xl大于0并且小于或 等于l，yl大于〇并且小于或等于1，所述量子阱層的應變為壓應變，所述壓應變的范圍是 8800ppm~12000ppm。
[0028] 優選地，所述量子皇層包括依次疊加的未摻雜Alx2Gay2In(1- x2-y2)As、P型摻雜 八]^26&\2111(13212：^8以及未摻雜4]^26&\2111(13212：^8，所述量子皇層的應變為張應變，所述張 應變的范圍是-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型摻雜Al x2Gay2In(1-x2-y2)As的厚度占所述量子皇層厚度的60%以上。
[0029]優選地，所述第一外波導層的材料為Alx3Ga(o.47-x3)In〇.53As，其中x3是漸變值，其取 值范圍是0.44-0.36;
[0030] 所述第二外波導層的材料為AlX4Ga(Q.47-X4)InQ. 53AS，其中x4是漸變值，其取值范圍 是0.36-0.44。
[0031] 對應于上述方法本發明還公開了一種調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層， 所述調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層由上述方法制作形成。
[0032](三)有益效果
[0033]本發明提供了一種調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層及其生長方法，利用 本發明的方法生成的調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層是一種高線性度AlGalnAs 量子阱外延，其壓應變增大，從而能降低俄歇復合，帶間吸收，可以達到改善器件高溫特性 的作用，優化的有源區量子阱結構可以提高外量子效率，延長載流子壽命的時間可以減小 激光器閾值電流密度，從而能夠提高有源層材料的特征溫度以及有源區量子阱的外量子效 率、內量子效率和轉換效率、提高張弛振蕩頻率。同時本發明的方法達成了環保、簡易、縮短 生產周期以及產品穩定性強的良好效果。
[0034] 進一步地，通過量子皇52層材料進行P型摻雜，在相對于未調制摻雜的AlGalnAs外 延制成的芯片速度上有很大的提升。采用P型調制摻雜進一步導致微分增益增加和弛豫振 蕩頻率提高近4倍左右，其馳豫振蕩頻率達到30GHz，是普通激光器的5倍，線寬增強因子可 以抑制到普通不摻雜量子阱51激光器的1/4。
【附圖說明】
[0035] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0036] 圖1是本發明的調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層的生長方法流程圖；
[0037] 圖2是本發明的調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層的結構示意圖；
[0038] 圖3是本發明中調制慘雜不意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發 明，但不能用來限制本發明的范圍。
[0040] -種調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層生長方法，如圖1所示，所述方法包 括以下步驟：
[0041] S1、對金屬有機物化學氣相沉積M0CVD反應室進行烘烤、清洗，除去表面異物，之后 將襯底放入所述金屬有機物化學氣相沉積反應室M0CVD的基座上；其中所述襯底為InP襯 底，烘烤溫度為740度；
[0042] S2、將所述金屬有機物化學氣相沉積反應室內的氣壓設置為預定氣壓，并將反應 氣體和M0源通入所述金屬有機物化學氣相沉積反應室，在預定溫度下所述反應氣體和M0源 發生反應生成調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層；
[0043] S3、降低所述金屬有機物化學氣相沉積反應溫度，向所述金屬有機物化學氣相沉 積反應室充入氮氣，并升高所述金屬有機物化學氣相沉積反應室的氣壓，之后將生成的所 述制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層取出；
[0044]其中，所述反應氣體為磷烷以及砷烷，所述反應氣體同時也作為保護氣體使用;所 述M0源為三甲基鋁TMA1、三甲基銦TMIn、三甲基鎵TMGa、三乙基鎵TEGa、P型摻雜源二甲基鋅 DMZn或P型摻雜源二乙基鋅DEZn，優選地，所述P型摻雜源二甲基鋅或P型摻雜源二乙基鋅的 摻雜濃度為l〇17cm 3~1018cm3。
[0045]利用本發明的方法生成的調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層是一種高線 性度AlGalnAs量子阱外延，其壓應變增大，從而能降低俄歇復合，帶間吸收，可以達到改善 器件高溫特性的作用，優化的有源區量子阱結構可以提高外量子效率，延長載流子壽命的 時間可以減小激光器閾值電流密度，從而能夠提高有源層材料的特征溫度以及有源區量子 阱的外量子效率、內量子效率和轉換效率、提高張弛振蕩頻率。同時本發明的方法達成了環 保、簡易、縮短生產周期以及產品穩定性強的良好效果。
[0046] 進一步地，所述步驟S2中利用載氣將所述反應氣體和M0源帶入所述金屬有機物化 學氣相沉積反應室;所述步驟S3中，降低所述金屬有機物化學氣相沉積反應溫度之前首先 關閉所述載氣。優選地，所述載氣為氫氣。
[0047] 進一步地，所述預定氣壓為20mbar~lOmbar;所述預定溫度為550度~750度。
[0048]進一步地，所述步驟S2中，在預定溫度下所述反應氣體和M0源發生反應生成調制 摻雜型多周期應變補償量子阱外延層具體包括以下步驟，如圖3所示：
[0049] S21、在所述襯底上生成緩沖層;其中緩沖層的沉積溫度為630度，厚度為0.5um;
[0050] S22、在所述緩沖層上生成第一外波導層;其中第一外波導層的厚度為50~lOOnm， 為帶漸變組分外波導層；
[0051] S23、在所述第一外波導層上依次生成U型層和η型層；
[0052] S24、在所述η型層上生成多量子阱層，其中所述多量子阱層包括量子阱層和量子 皇層；
[0053] S25、在所述多量子阱層上生成第二外波導層；其中第二外波導層的厚度為50~ lOOnm，為帶漸變組分外波導層；
[0054] S26、在所述第二外波導層上生成P型層。
[0055] 其中，所述量子阱層中量子阱的數目大于或等于5并且小于10。，所述量子阱層為 未摻雜的AlxiGa yiIn(i-xi-yi)As，其中xl大于0并且小于或等于1，yl大于0并且小于或等于1， 所述量子阱層的應變為壓應變，所述壓應變的范圍是8800ppm~12000ppm。所述量子皇層包 括依次疊加的未摻雜Alx2Ga y2ln(i-x2-y2)As、P型摻雜Alx2Gay2ln(i-x2- y2)As以及未摻雜 Alx2Gay2In(1-x2-y2)As，所述量子皇層的應變為張應變，所述張應變的范圍是-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型摻雜 Alx2Gay2In(1-x2-y2)As的厚度占所述量子皇層厚度的60 %以上。
[0056] 所述第一外波導層的材料為Alx3Ga(o.47-x3)In().53A S，其中x3是漸變值，其取值范圍 是0.44-0.36;所述第二外波導層的材料為AlX4Ga (Q.47-X4) InQ.53As，其中x4是漸變值，其取值 范圍是 0.36-0.44。
[0057]上述方法進一步地通過量子皇層材料進行P型摻雜，在相對于未調制摻雜的 AlGalnAs外延制成的芯片速度上有很大的提升。采用P型調制摻雜進一步導致微分增益增 加和弛豫振蕩頻率提高近4倍左右，其馳豫振蕩頻率達到30GHz，是普通激光器的5倍，線寬 增強因子可以抑制到普通不摻雜量子阱51激光器的1/4。上述方法能夠廣泛應用于改進光 通訊、CATV系統、光電技術中光發射器件芯片高溫特性的外延生長。同時上述方法還具有與 不擴散污染、工藝過程容易控制且能保證精確控制、生產周期短以及穩定性強的優勢。 [0058]本發明外延層在高溫方面達到了斜率效率變化為-l.OdB的水平；在抗ESD和電流 浪涌等方面都具有世界同類產品的水平，根據壽命試驗結果，可以在室溫情況下穩定、連續 工作30年以上，滿足世界一流產品的要求。
[0059]對應于上述方法本發明還公開了一種調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層， 所述調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層由上述方法制作形成，如圖2所示，包括依次 疊加的襯底1、緩沖層2(即過渡層）、第一外波導層(未圖示）、U型層3、n形成4、多量子阱層5、 第二外波導層6以及P型層7。其中多量子阱層5包括量子阱層51和量子皇層52。
[ΟΟ?Ο] 對上述外延片進行老化篩選測試，未鍍膜老化條件：100 °C、100mA、48h,老化通過 的條件為24h老化后的常溫測試| Alth彡10% (T = 25°C )。鍍膜后的老化條件：100°C、 100mA、36h，常溫下測試| Alth彡1mA, | APf彡10%，結果如表1所示：
[0061] 表1外延片進行老化篩選測試結果表
[0062]
[0064]以上實施方式僅用于說明本發明，而非對本發明的限制。盡管參照實施例對本發 明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行各種組合、 修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要 求范圍當中。
【主權項】
1. 一種調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層生長方法，其特征在于，所述方法包 括以下步驟： 51、 對金屬有機物化學氣相沉積反應室進行清洗，之后將襯底放入所述金屬有機物化 學氣相沉積反應室； 52、 將所述金屬有機物化學氣相沉積反應室內的氣壓設置為預定氣壓，并將反應氣體 和MO源通入所述金屬有機物化學氣相沉積反應室，在預定溫度下所述反應氣體和MO源發生 反應生成調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層； 53、 降低所述金屬有機物化學氣相沉積反應溫度，向所述金屬有機物化學氣相沉積反 應室充入氮氣，并升高所述金屬有機物化學氣相沉積反應室的氣壓，之后將生成的所述制 摻雜型多周期應變補償量子阱外延層取出； 其中所述反應氣體為磷烷以及砷烷； 所述MO源為三甲基鋁、三甲基銦、三甲基鎵、三乙基鎵、P型摻雜源二甲基鋅或P型摻雜 源二乙基鋅。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述P型摻雜源二甲基鋅或P型摻雜源二乙 基鋅的摻雜濃度為IO17Cm 3~1018cm3。3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中利用載氣將所述反應氣體和 MO源帶入所述金屬有機物化學氣相沉積反應室； 所述步驟S3中，降低所述金屬有機物化學氣相沉積反應溫度之前首先關閉所述載氣。4. 根據權利要求S2所述的方法，其特征在于，所述預定氣壓為20mbar~IOmbar;所述預 定溫度為550度~750度。5. 根據權利要求1至4任一項所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中，在預定溫度下所 述反應氣體和MO源發生反應生成調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層具體包括以下 步驟： 521、 在所述襯底上生成緩沖層； 522、 在所述緩沖層上生成第一外波導層； 523、 在所述第一外波導層上依次生成U型層和η型層； 524、 在所述η型層上生成多量子阱層，其中所述多量子阱層包括量子阱層和量子皇層； 525、 在所述多量子阱層上生成第二外波導層； 526、 在所述第二外波導層上生成P型層。6. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述量子阱層中量子阱的數目大于或等于 5并且小于10。7. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述量子阱層為未摻雜的AlxlGaylIn(1- xl-yl) As，其中xl大于0并且小于或等于l，yl大于0并且小于或等于1，所述量子阱層的應變為壓應 變，所述壓應變的范圍是8800ppm~12000ppm。8. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述量子皇層包括依次疊加的未摻雜 Alx2Gay2ln(i-x2-y2)As、P 型慘雜 Alx2Gay2ln(i-x2-y2)As 以及未慘雜 Alx2Gay2ln(i-x2-y2)As，所述量子 皇層的應變為張應變，所述張應變的范圍是-4000ppm~-5800ppm，其中所述x2大于0并且小 于或等于I，y2大于0并且小于或等于1，所述P型摻雜Al x2Gay2Inu-x2-y2)As的厚度占所述量子 皇層厚度的60%以上。9. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一外波導層的材料為Alx3Ga(Q.47- x3) In0.53As，其中x3是漸變值，其取值范圍是0.44-0.36; 所述第二外波導層的材料為AlX4Ga(Q.47-X4)In(). 53AS，其中x4是漸變值，其取值范圍是 0.36-0.44。10. -種調制摻雜型多周期應變補償量子阱外延層，其特征在于，所述調制摻雜型多周 期應變補償量子阱外延層由權利要求1至9任一項所述的方法制作形成。
【文檔編號】H01S5/343GK105932543SQ201610254589
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月21日
【發明人】吳瑞華
【申請人】武漢華工正源光子技術有限公司