阅读说明：本技术 一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法 (Epitaxial growth method of AlGaAs/AlGaInP mixed material ) 是由 马骁宇 赵碧瑶 熊聪 林楠 刘素平 仲莉 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses an epitaxial growth method of an AlGaAs/AlGaInP mixed material, which comprises the following steps: growing AlGaAs material on the surface of the substrate; stopping growth in the process of growing the AlGaAs material on the surface of the substrate to exhaust As atoms in the reaction chamber; and growing the AlGaInP material on the surface of the AlGaAs material after the growth pause is finished. The method provided by the invention can reduce the defects and dislocation at the interface of the mixed material by adjusting the components of each element and utilizing the characteristics of each material.)

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。