一种改善半导体激光器掺杂均匀性的方法
阅读说明：本技术 一种改善半导体激光器掺杂均匀性的方法 (Method for improving doping uniformity of semiconductor laser ) 是由 程洋 郭银涛 王俊 刘恒 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种改善半导体激光器掺杂均匀性的方法,包括：将衬底置于外延生长设备的基座上,衬底朝向基座表面的边缘和基座朝向衬底的表面不接触；在衬底背离基座的表面依次生长n型外延层、有源层和p型外延层,生长p型外延层时所需的生长条件敏感掺杂源从外延生长设备的两个气路或三个气路通入,两个气路或三个气路垂直设置。通过实施本发明,改变衬底和基座的接触性,使得衬底边缘和基座边缘的接触性变差,可以有效调节衬底表面的温度均匀性,从而可以减小温度对掺杂源掺杂不均匀的影响；并且,采用两路或三路同时通入生长条件敏感掺杂源,可以在降低温度对生长条件敏感掺杂源掺杂均匀性影响的基础上,改善生长条件敏感掺杂源的掺杂均匀性。(The invention discloses a method for improving the doping uniformity of a semiconductor laser, which comprises the following steps: placing the substrate on a base of the epitaxial growth equipment, wherein the edge of the surface of the substrate facing the base is not contacted with the surface of the base facing the substrate; and an n-type epitaxial layer, an active layer and a p-type epitaxial layer are sequentially grown on the surface of the substrate, which is far away from the base, a growth condition sensitive doping source required when the p-type epitaxial layer is grown is introduced from two gas paths or three gas paths of the epitaxial growth equipment, and the two gas paths or the three gas paths are vertically arranged. By implementing the invention, the contact between the substrate and the base is changed, so that the contact between the edge of the substrate and the edge of the base is poor, the temperature uniformity of the surface of the substrate can be effectively adjusted, and the influence of temperature on the uneven doping of the doping source can be reduced; and moreover, the growth condition sensitive doping source is introduced by two or three paths simultaneously, so that the doping uniformity of the growth condition sensitive doping source can be improved on the basis of reducing the influence of the temperature on the doping uniformity of the growth condition sensitive doping source.)
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种改善半导体激光器掺杂均匀性的方法。
背景技术
半导体激光器是一种重要的光电器件，在传感、照明、通讯、泵浦等领域有着广泛的应用。为了降低半导体激光器的制作成本，三英寸、四英寸乃至六英寸的砷化镓衬底开始逐渐在外延工艺中采用。当前，生长半导体激光器外延片常使用行星式反应室，采用衬底自转加石墨大盘公转相结合的方案，实现外延层在整个衬底表面的均匀生长。通过采用上述方案，外延层厚度在整个外延层上的标准差可以小于0.5％。
然而，采用该方法生长外延层时，整个外延层上的掺杂源的掺杂浓度均匀性则无法达到所需的要求，特别是p型外延层的掺杂浓度均匀性。而掺杂浓度的不均匀性会影响半导体激光器器件的电学特性，进而影响半导体激光器器件的各项性能参数，包括斜率效率、阈值电流等，对半导体激光器器件的大规模批量化、一致化生产造成不利影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种改善半导体激光器掺杂均匀性的方法，以解决现有技术中外延层上的掺杂源的掺杂浓度均匀性无法达到所需要求的技术问题。
本发明提出的技术方案如下：
本发明实施例提供一种改善半导体激光器掺杂均匀性的方法，包括：将衬底置于外延生长设备的基座上，所述衬底朝向所述基座表面的边缘和所述基座朝向所述衬底的表面不接触；在所述衬底背离所述基座的表面依次生长n型外延层、有源层和p型外延层，生长p型外延层时所需的生长条件敏感掺杂源从所述外延生长设备的两个气路或三个气路通入，两个气路或三个气路垂直设置。
可选地，将衬底置于外延生长设备的基座上，包括：在衬底一侧表面沉积热膨胀层，所述热膨胀层的热膨胀系数大于所述衬底的热膨胀系数；将所述衬底置于外延生长设备的基座上，所述衬底沉积所述热膨胀层的表面朝向所述基座设置，所述热膨胀层的边缘和所述基座朝向所述衬底的表面不接触。
可选地，所述基座朝向所述衬底的表面呈凸形。
可选地，其特征在于，所述衬底为砷化镓衬底，所述热膨胀层为氮化硅热膨胀层，所述热膨胀层的厚度为100nm至2000nm。
可选地，所述生长条件敏感掺杂源包括：碳源、锌源和镁源，所述碳源为四溴化碳碳源。
可选地，半导体激光器包括边发射半导体激光器和垂直腔面发射半导体激光器。
可选地，所述外延生长设备包括上层气路、中层气路或下层气路，当从两个气路通入生长p型外延层时所需的生长条件敏感掺杂源时，从上层气路和中层气路通入所述生长条件敏感掺杂源，或从中层气路和下层气路通入所述生长条件敏感掺杂源。
可选地，上层气路和中层气路通入的所述生长条件敏感掺杂源的气流量的比例为0.5至3；下层气路和中层气路通入的所述生长条件敏感掺杂源的气流量的比例为0.5至3。
可选地，所述p型外延层包括p型上波导层、p型上限制层和p型接触层，或所述p型外延层包括p型分布式布拉格反射镜层。
可选地，所述n型外延层包括n型下限制层和n型下波导层，或所述n型外延层包括n型分布式布拉格反射镜层。
本发明提供的技术方案，具有如下效果：
本发明实施例提供的改善半导体激光器掺杂均匀性的方法，通过改变衬底和基座的接触性，使得衬底的边缘和基座的边缘接触性变差，可以有效调节衬底表面的温度均匀性，从而可以减小温度对掺杂源掺杂不均匀的影响；并且，采用两路或三路同时通入生长条件敏感掺杂源，由于几路碳源的气流高度不同，因此，两路或三路碳源到达衬底表面的时间不相同，由此可以有效调节其到达衬底表面的位置和浓度，从而可以在降低温度对生长条件敏感掺杂源掺杂均匀性影响的基础上，改善生长条件敏感掺杂源的掺杂均匀性。因此，本发明实施例提供的改善半导体激光器掺杂均匀性的方法，有效提升了半导体激光器p型外延层的掺杂均匀性，提升了半导体激光器器件性能的一致性，促进了半导体激光器器件的大规模生产。
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是根据本发明实施例的改善半导体激光器掺杂均匀性的方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的衬底和基座接触的结构框图；
图3是根据本发明另一实施例的衬底和基座接触的结构框图；
图4是根据本发明实施例的外延生长设备的三层气路的结构框图；
图5是根据本发明实施例的边发射半导体激光器的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
正如在背景技术中所述，目前半导体激光器的外延生长方法在生长过程中，无法保证整个外延层上的掺杂源的掺杂浓度均匀性，特别是p型外延层的掺杂浓度均匀性。其中，P型外延层掺杂浓度的不均匀性主要有以下几个来源：一是衬底背面和衬底边缘均和基座接触，由此衬底边缘部分会接受到来自基座表面和基座侧面的传输的热量，导致衬底表面温度呈现不均匀分布，且这种分布的不均匀性随着衬底晶圆尺寸的增加而逐渐增大，而p型掺杂常使用的四溴化碳(简称CBr4)源的碳掺杂效率对温度高度敏感；二是金属有机物源(简称MO源，包括TMGa，TMAl，TMIn等)在衬底表面的生长过程中逐渐被消耗，因此V族/III族比差异较大，而这两项参数也对四溴化碳的掺杂效率有较大影响。
基于此，本发明实施例提供一种改善半导体激光器掺杂均匀性的方法，包括：将衬底置于外延生长设备的基座上，衬底朝向基座表面的边缘和基座朝向衬底的表面不接触；在衬底背离基座的表面依次生长n型外延层、有源层和p型外延层，生长p型外延层时所需的生长条件敏感掺杂源从外延生长设备的两个气路或三个气路通入，两个气路或三个气路垂直设置。
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1
本发明实施例提供一种改善半导体激光器掺杂均匀性的方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101：将衬底置于外延生长设备的基座上，衬底朝向基座表面的边缘和基座朝向衬底的表面不接触；在一具体实施方式中，该外延生长设备可以是是金属有机化合物化学气相淀积(Metal－organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)设备。
为了使衬底的边缘和基座不接触，在一实施例中，在将衬底置于基座之前，可以在衬底一侧表面沉积热膨胀层，热膨胀层的热膨胀系数大于衬底的热膨胀系数；在将衬底置于外延生长设备的基座上时，可以将衬底沉积热膨胀层的表面朝向基座设置，当基座升温时，可以使得热膨胀层的边缘和基座朝向衬底的表面不接触。
在一具体实施方式中，衬底可以选择砷化镓衬底，热膨胀层为氮化硅热膨胀层，热膨胀层的厚度为100nm至2000nm。具体地，可以采用等离子体辅助化学气相沉积(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)或低压化学气相沉积(Low PressureChemical Vapor Deposition，LPCVD)形成热膨胀层；可以通过调节热膨胀层的沉积参数，调节热膨胀层的热膨胀系数，使得热膨胀层的热膨胀系数大于衬底的热膨胀系数。由此当基座升温，在衬底上生长外延层时，热膨胀层会产生压应变，如图2所示，衬底会变成凹形，从而导致衬底边缘位置同基座的接触变差，降低边缘温度，从而可以改善衬底边缘和中心温度的差异。
在一实施例中，还可以通过改造基座的方式使得衬底的边缘和基座不接触。在一具体实施方式中，可以对基座放置衬底的表面进行处理，如图3所示，使得该表面呈现为凸形的状态，这样，在放置衬底之后，可以使得衬底的中心和基座接触，而衬底的边缘和基座边缘不接触，这样，当基座升温时，可以降低边缘温度，从而可以改善衬底边缘和中心温度的差异。
步骤S102：在衬底背离基座的表面依次生长n型外延层、有源层和p型外延层，生长p型外延层时所需的生长条件敏感掺杂源从外延生长设备的两个气路或三个气路通入，两个气路或三个气路垂直设置。在一具体实施方式中，生长条件敏感掺杂源包括：碳源、锌源和镁源，碳源为四溴化碳碳源。
在一实施例中，外延生长设备包括上层气路、中层气路或下层气路，当从两个气路通入生长p型外延层时所需的生长条件敏感掺杂源时，从上层气路和中层气路通入生长条件敏感掺杂源，或从中层气路和下层气路通入生长条件敏感掺杂源，图4所示为生长条件敏感掺杂源从上层气路和中层气路通入。其中，上层气路和中层气路通入的生长条件敏感掺杂源的气流量的比例为0.5至3；下层气路和中层气路通入的生长条件敏感掺杂源的气流量的比例为0.5至3。
目前，在常规的p型外延层生长过程中，需要通入金属有机物源(简称MO源，包括TMGa，TMAl，TMIn等)、V族掺杂源和碳源，其中，MO源沿衬底径向(直径方向)会逐渐被消耗，而V族源的总量基本保持不变，因此V/III比(V族掺杂源同MO源流量的比例)以及MO源同碳源掺杂源的比例会沿衬底径向而逐渐变化，导致碳源沿衬底径向的浓度和掺杂效率不断变化，因此最终并入到外延层中的碳浓度也会沿衬底径向而不断变化。该实施例中采用两路碳源或三路碳源。由于几路碳源的气流高度不同，因此，两路或三路碳源到达衬底表面的时间不相同。由此通过调节沿单独上层气路或下层气路通入的碳源的气流量，可以有效调节其到达衬底表面的位置和浓度。
本发明实施例提供的改善半导体激光器掺杂均匀性的方法，通过改变衬底和基座的接触性，使得衬底的边缘和基座的边缘接触性变差，可以有效调节衬底表面的温度均匀性，从而可以减小温度对掺杂源掺杂不均匀的影响；并且，采用两路或三路同时通入生长条件敏感掺杂源，由于几路碳源的气流高度不同，因此，两路或三路碳源到达衬底表面的时间不相同，由此可以有效调节其到达衬底表面的位置和浓度，从而可以在降低温度对生长条件敏感掺杂源掺杂均匀性影响的基础上，改善生长条件敏感掺杂源的掺杂均匀性。因此，本发明实施例提供的改善半导体激光器掺杂均匀性的方法，有效提升了半导体激光器p型外延层的掺杂均匀性，提升了半导体激光器器件性能的一致性，促进了半导体激光器器件的大规模生产。
在一实施例中，上述改善半导体激光器掺杂均匀性的方法可以用于边发射半导体激光器和垂直腔面发射半导体激光器。其中，当用于边发射半导体激光器时，p型外延层包括p型上波导层、p型上限制层和p型接触层，n型外延层包括n型下限制层和n型下波导层。当用于垂直腔面发射半导体激光器时，p型外延层包括p型分布式布拉格反射镜层，n型外延层包括n型分布式布拉格反射镜层。
实施例2
本发明实施例提供的改善半导体激光器掺杂均匀性的方法以边发射半导体激光器为例进行说明，其中，该边发射半导体激光器为980nm的边发射半导体激光器。
首先调节外延生长时衬底表面的温度均匀性。具体可以通过在砷化镓衬底背面采用PECVD或者LPCVD工艺沉积氮化硅，沉积的氮化硅的厚度为100nm－2000nm，通过调节氮化硅的衬底参数，可以使得氮化硅的热膨胀系数大于砷化镓衬底的热膨胀系数，在将砷化镓衬底置于MOCVD设备的基座上进行升温时，氮化硅薄膜产生压应变，砷化镓衬底会变成凹形，从而导致砷化镓衬底边缘位置同基座的接触变差，边缘温度降低；可以有效调节衬底表面的温度均匀性。此外，还可以在不沉积氮化硅的情况下，通过将基座表面改造成凸形，也可以改变砷化镓衬底边缘与基座的接触情况，从而起到调节衬底表面温度均匀性的效果。
其次，在调节衬底表面温度均匀性的基础上，还可以调节外延生长时四溴化碳掺杂源在衬底表面的浓度分布。具体地，对于该半导体激光器的外延生长过程可以按照以下步骤实现：如图5所示，在将砷化镓衬底置于MOCVD设备的基座上进行升温之后，首先生长GaAs缓冲层，厚度为400nm，掺杂Si，浓度为3e18/cm3；生长过程中通入TMGa，AsH3和Si2H6；生长n型AlGaAs下限制层，厚度为2000nm，Al组分为60％，掺杂硅，浓度为1e18/cm3；生长过程中通入TMGa、TMAl、AsH3和Si2H6；生长n型AlGaAs下波导层，厚度为800nm，Al组分为15％，掺杂硅，浓度为3e17/cm3；生长过程中通入TMGa、TMAl、AsH3和Si2H6；生长GaAs量子垒层，厚度为20nm，不掺杂，生长过程中通入TMGa、AsH3；生长InGaAs量子阱层，厚度为7nm，不掺杂，生长过程中通入TMGa、TMIn、AsH3；生长GaAs量子垒层，厚度为20nm，不掺杂，生长过程中通入TMGa、AsH3；生长p型AlGaAs上波导层，厚度为400nm，Al组分为15％，掺杂碳，浓度为4e17/cm3，生长过程中通入TMGa、TMAl、AsH3和CBr4；生长p型AlGaAs上限制层，厚度为1000nm，Al组分为60％，掺杂碳，浓度为1e18/cm3，生长过程中通入TMGa、TMAl、AsH3和CBr4；生长p型GaAs接触层，厚度为500nm，掺杂碳，浓度为4e19/cm3，生长过程中通入TMGa、AsH3和CBr4。
对于外延生长过程中通入的掺杂源，其中，AsH3从上层气路和下层气路通入，TMGa和TMAl从中层气路通入，CBr4从上层气路和中层气路通入或从中层气路和下层气路通入或从上层气路、中层气路和下层气路均通入。具体地，通入这些掺杂源时，根据上述不同外延层所需的掺杂源，在生长每层外延层时从对应气路中通入对应的掺杂源。
在外延层的生长过程中，MO源(TMGa和TMAl)沿衬底径向(直径方向)会逐渐被消耗，而V族源(AsH3)的总量基本保持不变，因此V/III比(V族掺杂源同MO源流量的比例)以及MO源同碳源掺杂源的比例会沿衬底径向而逐渐变化，导致碳源沿衬底径向的浓度和掺杂效率不断变化，因此最终并入到外延层中的碳浓度也会沿衬底径向而不断变化。该实施例中采用两路碳源或三路碳源。由于几路碳源的气流高度不同，因此，两路或三路碳源到达衬底表面的时间不相同。通过调节沿单独上层气路或下层气路通入的碳源的气流量，可以有效调节其到达衬底表面的位置和浓度，从而起到调节外延生长时CBr4源在衬底表面的浓度分布。
实施例3
本发明实施例提供的改善半导体激光器掺杂均匀性的方法以垂直腔面发射半导体激光器为例进行说明，其中，该垂直腔面发射半导体激光器为940nm的垂直腔面发射半导体激光器。
首先调节外延生长时衬底表面的温度均匀性。具体可以通过在砷化镓衬底背面采用PECVD或者LPCVD工艺沉积氮化硅，沉积的氮化硅的厚度为100nm－2000nm，通过调节氮化硅的衬底参数，可以使得氮化硅的热膨胀系数大于砷化镓衬底的热膨胀系数，在将砷化镓衬底置于MOCVD设备的基座上进行升温时，氮化硅薄膜产生压应变，砷化镓衬底会变成凹形，从而导致砷化镓衬底边缘位置同基座的接触变差，边缘温度降低；可以有效调节衬底表面的温度均匀性。此外，还可以在不沉积氮化硅的情况下，通过将基座表面改造成凸形，也可以改变砷化镓衬底边缘与基座的接触情况，从而起到调节衬底表面温度均匀性的效果。
其次，在调节衬底表面温度均匀性的基础上，还可以调节外延生长时四溴化碳掺杂源在衬底表面的浓度分布。具体地，对于该半导体激光器的外延生长过程可以按照以下步骤实现：在将砷化镓衬底置于MOCVD设备的基座上进行升温之后，如图6所示，首先生长GaAs缓冲层，厚度为400nm，掺杂Si，浓度为3e18/cm3；生长过程中通入TMGa，AsH3和Si2H6；生长n－DBR，其中，n－DBR包含30－50个周期的反射镜结构，每个周期结构依次包括AlGaAs组分单层(Al组分10％，掺杂Si，浓度3e18/cm3)，AlGaAs组分渐变层(Al组分由10％线性渐变到90％，掺杂Si，浓度3e18/cm3)，AlGaAs组分单层(Al组分90％，掺杂Si，浓度3e18/cm3)，AlGaAs组分渐变层(Al组分由90％线性渐变到10％，掺杂Si，浓度3e18/cm3)。生长过程中通入TMGa、TMAl、AsH3和Si2H6；生长有源层，包括Al0.28Ga0.72As，InGaAs/GaAsP多量子阱结构，Al0.28Ga0.72As，以及Al0.98Ga0.02As氧化层等。生长过程中通入TMIn、TMAl、TMGa、AsH3；生长p－DBR，其中p－DBR包含中10－30个周期的反射镜结构，每个周期结构依次包括AlGaAs组分单层(Al组分90％，掺杂C，浓度3e18/cm3)，AlGaAs组分渐变层(Al组分由90％线性渐变到10％，掺杂C，浓度3e18/cm3)，AlGaAs组分单层(Al组分10％，掺杂C，浓度3e18/cm3)，AlGaAs组分渐变层(Al组分由10％线性渐变到90％，掺杂C，浓度3e18/cm3)。生长过程中通入TMAl、TMGa、AsH3和CBr4。
对于外延生长过程中通入的掺杂源，其中，AsH3从上层气路和下层气路通入，TMIn、TMGa和TMAl从中层气路通入，CBr4从上层气路和中层气路通入或从中层气路和下层气路通入或从上层气路、中层气路和下层气路均通入。具体地，通入这些掺杂源时，根据上述不同外延层所需的掺杂源在生长每层外延层时从对应气路中通入对应的掺杂源。
在外延层的生长过程中，MO源(TMIn、TMGa和TMAl)沿衬底径向(直径方向)会逐渐被消耗，而V族源(AsH3)的总量基本保持不变，因此V/III比(V族掺杂源同MO源流量的比例)以及MO源同碳源掺杂源的比例会沿衬底径向而逐渐变化，导致碳源沿衬底径向的浓度和掺杂效率不断变化，因此最终并入到外延层中的碳浓度也会沿衬底径向而不断变化。该实施例中采用两路碳源或三路碳源。由于几路碳源的气流高度不同，因此，两路或三路碳源到达衬底表面的时间不相同。通过调节沿单独上层气路或下层气路通入的碳源的气流量，可以有效调节其到达衬底表面的位置和浓度，从而起到调节外延生长时CBr4源在衬底表面的浓度分布。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
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