激光辅助加热mocvd装置及其工作方法
阅读说明：本技术 激光辅助加热mocvd装置及其工作方法 (Laser-assisted heating MOCVD device and working method thereof ) 是由 齐通通 罗海林 钟琪 李海洪 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种激光辅助加热MOCVD装置及其工作方法,其特征在于：使用激光加热系统联合MOCVD自有的原位监测系统EPI-TT,在MOCVD设备自身热系统到达设定温度后,使用激光加热系统生成光斑对腔体内的晶圆进行辅助加热,用于辅助MOCVD进行外延薄膜的生长。其能够在光通信掩埋异质结DFB激光器Block生长阶段使用激光辅助加热,能够形成良好的PNP结构及形貌,改善了在连续生长时温度不能及时调节导致的晶体缺陷,优化了生长过程存在速度差导致的无法制备出形貌良好的PNP结构外延层。(The invention provides a laser-assisted heating MOCVD device and a working method thereof, which are characterized in that: and (3) combining the laser heating system with an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) own in-situ monitoring system EPI-TT, and generating light spots by using the laser heating system to perform auxiliary heating on the wafer in the cavity after the MOCVD equipment self thermal system reaches a set temperature, so as to assist the MOCVD in growing the epitaxial film. The laser auxiliary heating device can be used for laser auxiliary heating in the growth stage of the optical communication buried heterojunction DFB laser Block, a good PNP structure and a good appearance can be formed, the crystal defect caused by the fact that the temperature cannot be timely adjusted during continuous growth is overcome, and the situation that the PNP structure epitaxial layer with a good appearance cannot be prepared due to the fact that the growth process is poor in speed is optimized.)
技术领域
本发明涉及光通信用半导体激光器器件制备、光电子信息技术领域，尤其涉及一种激光辅助加热MOCVD装置及其工作方法，其至少可以用于改善光通信用掩埋异质结构DFB激光器外延薄膜质量及芯片性能。
背景技术
随着光通信及光电子产业化的到来，各类型衬底、半导体设备以及不同结构的光电子器件相继问世，其器件性能逐步提高，其中InP基半导体材料是光通信半导体芯片及器件的重要衬底材料，MOCVD 技术不仅成为制备化合物半导体异质结、超晶格、量子阱、量子点等低维结构的主要手段，而且还是生产化合物半导体光电子、微电子器件的重要方法且已形成产业，并且仍在继续发展之中，是现代外延技术的重要组成部分。作为光通信系统的重要部件，作为信号发射源，各类型器件参数在满足标准时，首先要保证其器件外延质量，才能够得到工作状态稳定的光电子器件。随着外延工艺的发展和优化，掩埋异质结结构（BH）掩埋工艺成本下降并且成品率更高，且在电场及光场限制作用方面均优于脊型波导结构器件，所以人们更倾向于对电场和光场限制作用更好的BH结构激光器研究，但受限于MOCVD生长工艺过程其材料生长规律为沿晶向生长，当基体材料结构差或者生长温度无法实时变化时，相应的材料生长受温度影响，生长效果往往达不到预期，生长质量差。
在以上提及的光通信用掩埋异质结DFB激光器芯片制备过程中，其初步外延结构从下到上依次是：2英寸 N型InP衬底，N-InP buffer，InGaAsP下波导层、InGaAsP应变多量子阱和垒结构层、InGaAsP上波导层、P-InP间隔层、P-InGaAsP光栅层、P-InP Cap层、P-InGaAs层和P-InP层；所述P-InP层上设有SiO2介质层，所述N-InP缓冲层上部至P-InP层形成脊型波导结构；所述SiO2介质层在脊型波导上形成悬臂结构。光通信用半导体异质结激光器芯片制作过程成型前的结构，包括在初步结构上，还包括后续PNP外延层，及第三次外延生长，在脊型波导结构旁侧从下而上依次生长P-InP电流阻挡层、N-InP电流阻挡层P-InP电流阻挡层，去除SiO2介质层后，接着在P-InP电流阻挡层上依次生长P-InP空间层、InGaAsP过渡层和P-InGaAs欧姆接触层，P-InP cap层，在P-InGaAs欧姆接触层上形成台面结构，在台面上开孔，在台面及台面左侧形成P型电极；在台面右侧的区域开孔形成N型电极。
光通信用半导体DFB激光器，BH结构相对于RWG结构来说，BH结构npnp是晶闸管，它是双向可控开关，对载流子（电学）和光子（光学）有双重限制作用对载流子有极强的约束力。但缺点是在制备过程中需要经过多次外延生长，工艺复杂难以控制、成品率低、器件性能达不到理论标准且重复性差。
而MOCVD生长对衬底材料的表面质量及几何形貌要求极为严格，对于带悬臂的脊波导结构以及对于第三次外延生长的PNP结构来说，外延生长只在脊型结构平台两边沟槽结构进行，由于平台存在一定的角度，导致生长缓慢，甚至短时间内不生长，这就可能因为生长速率不同，造成脊型平台顶部缺P，而且在生长PNP结构MOCVD系统无法实现实时变温控制，如前期生长温度较高，之后的外延层需要低温生长时，无法进行变温且连续生长，PNP外延层质量受到其基底形貌及角度的影响，PNP的外延层制备质量直接影响器件的阈值电流、输出功率 、光谱特性以及器件寿命等 ，因此需要研究改进其后续外延PNP层的制备方法，制备出结构及形貌完整的外延层。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种激光辅助加热MOCVD装置及其工作方法。其设计的出发点是用于改善光通信掩埋异质结DFB激光器外延薄膜及器件制备，但也可以进一步适用于其他对外延层生长有二次温度控制需求的场景。
本发明具体采用以下技术方案：
一种激光辅助加热MOCVD装置，其特征在于：使用激光加热系统联合MOCVD自有的原位监测系统EPI-TT，在MOCVD设备自身热系统到达设定温度后，使用激光加热系统生成光斑对腔体内的晶圆进行辅助加热，用于辅助MOCVD进行外延薄膜的生长。
进一步地，所述激光加热系统包括：Nd:YAG激光器和衍射光束整形器；所述和衍射光束整形器用于将具有近高斯轮廓的激光光束转变为具有均匀平顶强度分布的清晰形状。
进一步地，所述Nd:YAG激光器放置于手套箱外；所述衍射光束整形器套件固定在LID的Argus孔上方，将激光器的激光束转换成和Argus孔同等大小的矩形光束，通过LID照射到待生长的晶圆上，用于外延生长时辅助加热。
进一步地，在生长Block PNP InP电子阻挡层时，在第一个P型层使用激光辅助加热系统增加晶圆表面温度，使P型层在达到一定的生长温度时开始BH结构的PNP电子阻挡层的生长。
进一步地，用于改善光通信掩埋异质结DFB激光器外延薄膜及器件制备。
进一步地，所述外延薄膜的制备具体包括以下过程：首先在2英寸N型InP衬底上生长P型 InP缓冲层、电子阻挡层，波导结构、应变InGaAsP多量子阱、光栅层以及cap 层，接着制备光栅并进行后续掩埋生长，采用单层SiO2作为掩膜层制备形成脊型结构，接着采用氢溴酸溶液进行脊型结构腐蚀，腐蚀至衬底层，形成脊波导结构脊波导上面的SiO2形成悬臂，将样品放置在BOE溶液中进行腐蚀，利用不同材料的腐蚀速率差，以去除脊波导结构两侧的氧化物，然后将样品放入MOCVD腔体进行在生长，然后接着生长Block PNP InP电子阻挡层，采用BOE溶液去除样品表面SiO2，采用MOCVD设备进行最后的P-InP空间层，P-InGaAsP过渡层、P-InGaAs欧姆接触层以及P-InP cap层，完成外延生长。
进一步地，在外延生长完成之后，接着制备激光器电极、开孔、制备P面及N面电极，形成N面和P面电极的结构。
由于MOCVD设备原理是将Ⅲ族元素的有机化合物和 V的氢化物相混合后通入反应腔，混合气体流经加热的衬底表面时，在衬底表面发生热分解反应，并外延生长成化合物单晶薄膜，MOCVD工艺生长过程包括喷淋源材料在衬底表面的输运、扩散、吸附、反应、分解、迁移、脱附和与衬底表面材料相结合等一系列复杂动力学过程，受到表面化学、表面反应控制动力学过程影响，现有技术在使用MOCVD设备生长PNP外延电子阻挡层结构时，是利用气态的前驱体反应物经原子分子间的化学反应生产薄膜，几乎所有反应都是吸热反应，MOCVD的热源是利用加热丝升温加热，将石墨盘加热到一定温度，热量传输至Wafer上，最终实现薄膜沉积，如果前期加热温度高，设备加热会受到高温限制，无法实现特高温生长，且在制备过程中基底温度不能及时做出调整，掩埋异质结PNP电子阻挡层外延膜质量、形貌及角度均会受到基底温度的影响，高温下可以进行选定区域沉积成膜，能够提高迁移速率，掩埋异质结PNP电子阻挡层外延膜质量直接影响器件的阈值电流 、输出功率 、光谱特性以及器件寿命等 ，因此需要经过改进制备方法。本发明设计可以随时掌握温度变化，激光加热系统辅助加热能够精确调节Wafer温度，能够提高Wafer上表面温度，激光辅助加热系统配合MOCVD加热系统，能够保证Wafer表面实现高温生长，能够提高原子迁移速率，更适合掩埋异质结PNP电子阻挡层外延膜的生长，能够稳定提升外延质量，从而改善器件性能。
相比于现有技术，本发明及其优选方案能够在光通信掩埋异质结DFB激光器Block生长阶段使用激光辅助加热，能够形成良好的PNP结构及形貌，改善了在连续生长时温度不能及时调节导致的晶体缺陷，优化了生长过程存在速度差导致的无法制备出形貌良好的PNP结构外延层。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例Nd:YAG激光辅助加热系统组成示意图，由Nd:YAG激光器、冷却系统部分等组成。
图2为本发明实施例激光器光路走向及光束整形器示意图。
图3为本发明实施例MOCVD手套箱及反应腔室顶盖LID示意图。
图4为图3对应的立体结构示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
本实施例改进对象的改善光通信掩埋异质结DFB激光器外延薄膜及器件制备的过程如下：
首先在2英寸N型InP衬底上生长P型 InP Buffer、电子阻挡层，波导结构、应变InGaAsP多量子阱、光栅层以及cap 层，接着制备光栅并进行后续掩埋生长，采用单层SiO2作为掩膜层制备形成脊型结构，接着采用氢溴酸溶液进行脊型结构腐蚀，腐蚀至衬底层，形成脊波导结构脊波导上面的SiO2形成悬臂，将样品放置在BOE溶液中进行腐蚀，利用不同材料的腐蚀速率差，来去除脊波导结构两侧的氧化物，然后将样品快速放入MOCVD腔体进行在生长，然后接着生长Block PNP InP电子阻挡层，采用BOE溶液去除样品表面SiO2，采用MOCVD设备进行最后的P-InP空间层，P-InGaAsP过渡层、P-InGaAs欧姆接触层以及P-InPcap层，完成外延生长。接着制备激光器电极、开孔、制备P面及N面电极，形成N面和P面电极的结构
如图1-图4所示，本实施例提供一种激光辅助加热MOCVD装置及其工作方法，用于优化以上制备过程。
本实施例提供的激光辅助加热金属气相化学沉积系统，包括激光加热系统，光源冷却系统以及激光加热系统通讯信息传导反馈装置。
其中，激光加热系统包括Nd:YAG激光器和衍射光束整形器：后者用于将具有近高斯轮廓的激光光束转变为具有均匀平顶强度分布的清晰形状，Nd:YAG晶体是由Al2O3、Y2O3和Nd2O3按照一定比例熔化结晶成的，是由钇铝石榴石晶体中的部分Y3+代替而成，可以通过改变掺杂浓度获得不同特性，其物理和化学特性以及可靠性、稳定、方便使用等诸多优点使得Nd:YAG是目前使用最广的固体激光器，基于该设计原则，其也可以同等替换为其他类似的现有激光器。
在激光加热系统通讯信息传导反馈装置方面，本实施例直接使用激光加热系统联合MOCVD自有的原位监测系统EPI-TT，在MOCVD设备自身热系统到达设定温度后，使用激光加热系统生成光斑对腔体内的wafer进行辅助加热，从而辅助MOCVD进行外延薄膜的生长。具体方法是利用激光加热系统生成的光斑对待生长的衬底进行二次升温，激光加热系统利用其高能量的特性作用于wafer上，该方法易于控制，Wafer生长温度能够准确调节，有利于BH结构的PNP电子阻挡层的生长，能够提高外延膜质量。
在装置具体的使用过程中，把Nd:YAG激光器放置于手套箱外，用螺丝把光束整形器套件定在LID的Argus孔上方，用光束整形器套件把激光器的激光束转换成和Argus孔同等大小的矩形光束，通过LID照射到待生长的Wafer上，用于外延生长时辅助加热。在生长生长Block PNP InP电子阻挡层时，在第一个P型层使用激光辅助加热系统增加Wafer表面温度，能够使得P型层在达到一定的生长温度时开始BH结构的PNP电子阻挡层的生长。
本专利不局限于最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的激光辅助加热MOCVD装置及其工作方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
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