CN110867727B - 一种高增益有源区的生长方法及vcsel的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高增益有源区的生长方法及VCSEL的生长方法，高增益有源区的生长方法包括：周期***替生长垒层和阱层，垒层的生长具体包括：通入III族源和V族源，所述III族源为金属有机物，降低温度和V‑III组分比，形成具有掺杂的垒层，所述V‑III组分比为V族源的组分与III族源的组分的比。通过降低温度和V族源与III族源的组分的比值，增加III族金属有机物的元素浓度，利用III族金属有机物自身的组成元素对垒层进行掺杂，无需引入其他掺杂源，有效避免了杂质的引入，克服了杂质缺陷。

Description

一种高增益有源区的生长方法及VCSEL的生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种高增益有源区的生长方法及VCSEL的生长方法。
背景技术
半导体器件的有源区通常包括一个或多个有源区，有源区一般由InGaAs/GaAs、InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAsP或InAlGaAs/AlGaAs组成。然而，由于压应变，导致空穴难以进入有源区，复合几率低。并且，由于电子浓度较高，其迁移速率较高，而空穴的迁移速率较低(相差约10倍以上)，因此，空穴与电子的复合集中在靠近P型的一侧，增加深能级产生几率。
目前有不少研究发现对垒层进行掺杂后，能够提高空穴注入。然而实际生产中，很少对垒层进行掺杂，其主要原因是现有的掺杂方式会引入杂质，形成杂质缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的为：一种高增益有源区的生长方法及VCSEL的生长方法，既能够实现垒层掺杂，又不会引入杂质。
一种高增益有源区的生长方法，包括：周期***替生长垒层和阱层，垒层的生长具体包括：
通入III族源和V族源，所述III族源为金属有机物，降低温度和V-III组分比，形成具有掺杂的垒层，所述V-III组分比为V族源的组分与III族源的组分的比。
可选的，通过降低V族源的流量来降低V-III组分比。
可选的，所述V族源的流量降低40％-70％。
可选的，通入所述V族源和所述III族源的同时通入载气，通过切换载气来降低温度。
可选的，降低温度和V-III组分比，形成具有掺杂的垒层具体包括：
在V-III组分比为第一比值和温度为第一温度环境下生长无掺杂的第一子垒层；
降低V-III组分比至第二比值，降低温度至第二温度，生长具有掺杂的第二子垒层；
升高V-III组分比至第一比值，升高温度至第一温度，生长无掺杂的第三子垒层。
可选的，降低温度和V-III组分比，形成具有掺杂的垒层具体包括：
在V-III组分比为第一比值和温度为第一温度环境下生长无掺杂的第四子垒层；
逐渐降低V-III组分比至第二比值，逐渐降低温度至第二温度，生长具有掺杂的第五子垒层；
维持V-III组分比为第二比值，维持温度为第二温度，生长具有掺杂的第六子垒层；
逐渐升高V-III组分比至第一比值，逐渐升高温度至第一温度，生长具有掺杂的第七子垒层；
维持V-III组分比为第一比值，维持温度为第一温度，生长具有掺杂的第八子垒层。
可选的，所述第六子垒层的掺杂浓度高度分别高于第五子垒层的掺杂浓度和第七子垒层的掺杂浓度。
可选的，所述III族源包括Al源、Ga源、In源中的一种或多种，所述V族源包括As源。
可选的，垒层的生长具体包括：
温度为600-780摄氏度，通入H2、三甲基镓、三甲基铝和ASH3，ASH3流量为50-1000，生长1-5nm的第一AlGaAs层；
逐渐降低ASH3的流量至原流量的30％-60％，小盘氮气H2切换为N2，生长1-5nm的掺C第二AlGaAs层；
在ASH3的流量为原流量的30％-60％和N2环境下生长1-5nm的掺C第三AlGaAs层；
逐渐升高ASH3的流量至原流量，小盘N2切换为H2，生长1-5nm的掺C第四AlGaAs层；
在ASH3的流量为原流量和H2环境下生长1-5nm的第五AlGaAs层。
本发明采用的另一个技术方案为：
一种VCSEL的生长方法，包括：
在衬底上依次生长缓冲层、N型DBR层、高增益有源区、氧化层和P型DBR层，所述高增益有源区的生长方法如上所述。
从上述可知，本发明通过降低温度和V族源与III族源的组分的比值，增加III族金属有机物的元素浓度，利用III族金属有机物自身的组成元素对垒层进行掺杂，无需引入其他掺杂源，有效避免了杂质的引入，克服了杂质缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的高增益有源区的生长方法生长的垒层的结构示意图；
图2为本发明实施例的一个周期内垒层生长过程中V-III组分比随厚度变化的示意图；
图3为本发明另一实施例的高增益有源区的生长方法生长的垒层的结构示意图；
图4-7为本发明另一实施例的一个周期内垒层生长过程中V-III组分比随厚度变化的示意图。
图标说明：
1、第一子垒层；2、第二子垒层；3、第三子垒层；4、第四子垒层；5、第五子垒层；6、第六子垒层；7、第七子垒层；8、第八子垒层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明实施例提供一种高增益有源区的生长方法，包括：周期***替生长垒层和阱层，垒层的生长具体包括：
通入III族源和V族源，所述III族源为金属有机物，降低温度和V-III组分比，形成具有掺杂的垒层。需要说明的是，本发明中所述的V-III组分比，指的是V族源的组分与III族源的组分的比。
具体的，所述III族源包括但不限于Al源、Ga源、In源中的一种或多种，所述V族源包括但不限于As源。金属有机物的III族源包括但不限于三甲基III族源和三乙基III族源，如三甲基铝，三甲基镓，三甲基铟等。
在一可选方式中，所述垒层和阱层交替生长1-5个周期。优选生长3个周期。
在一可选方式中，通过降低V族源的流量来降低V族源与III族源的比值。在另一可选方式中，通入所述V族源和所述III族源的同时通入载气，通过切换载气来降低温度。通过控制V族源的流量和切换载气实现对V族源与III族源的比值以及温度的调节，具有易实现、效果好的优点。
在一可选方式中，所述V族源的流量降低40％-70％。优选降低50％。
本发明另一实施例提供一种高增益有源区的生长方法，与上述实施例的区别在于，降低温度和V-III组分比，形成具有掺杂的垒层具体包括：
在V-III组分比为第一比值和温度为第一温度环境下生长无掺杂的第一子垒层1；
降低V-III组分比至第二比值，降低温度至第二温度，生长具有掺杂的第二子垒层2；
升高V-III组分比至第一比值，升高温度至第一温度，生长无掺杂的第三子垒层3。
如图1所示为采用本实施例的生长方法生长的垒层的结构示意图，图2所示为一个周期内垒层生长过程中V-III组分比随厚度变化的示意图，其中横坐标表示厚度，纵坐标表示V-III组分比。
本实施例中，在较高温度和V-III组分比的环境下能够有效提高所生长的晶体质量，降低杂质引入，防止杂质扩散；然后降低V-III组分比以及温度，在低温和低V-III组分比的情况下，获得高掺杂浓度对垒层进行掺杂，形成具有掺杂的第二子垒层；再升高V-III组分比以及温度，进一步生长高晶体质量的第三子垒层，防止杂质扩散。
本发明另一实施例提供一种高增益有源区的生长方法，与上述实施例的区别在于，降低温度和V-III组分比，形成具有掺杂的垒层具体包括：
在V-III组分比为第一比值和温度为第一温度环境下，生长无掺杂的第四子垒层4；
逐渐降低V-III组分比至第二比值，逐渐降低温度至第二温度，生长具有掺杂的第五子垒层5；
维持V-III组分比为第二比值，维持温度为第二温度，生长具有掺杂的第六子垒层6；
逐渐V-III组分比至第一比值，逐渐升高温度至第一温度，生长具有掺杂的第七子垒层7；
维持V-III组分比为第一比值，维持温度为第一温度，生长具有掺杂的第八子垒层8。
如图3所示为采用本实施例的生长方法生长的垒层的结构示意图，图4-7所示为一个周期内垒层生长过程中V-III组分比随厚度变化的示意图，其中横坐标表示厚度，纵坐标表示V-III组分比。本实施例优选如图4所示均匀渐变的方式。需要说明的是，图4-7只是举例说明，并非对本发明的限制。
具体的，所述第六子垒层的掺杂浓度高度分别高于第五子垒层的掺杂浓度和第七子垒层的掺杂浓度。
本实施例采用渐变温度和V-III组分比的方式，先逐渐降低温度和V-III组分比，在降低过程中实现掺杂浓度的逐渐增加，形成具有掺杂的第五子垒层；然后在降低后的低V-III组分比和低温下获得更高的掺杂浓度，生长更高掺的第六子垒层；再逐渐升高V-III组分比和温度，形成具有掺杂的第七子垒层，并且由于温度逐渐升高，有效提高了晶体质量，防止杂质扩散。
本发明另一个实施例提供一种VCSEL的生长方法，包括：
在衬底上依次生长缓冲层、N型DBR层、N型限制层、N型波导层、高增益有源区、P型波导层、P型限制层、氧化层、P型DBR层和保护层，所述高增益有源区的生长方法参考上述各实施例所述，此处不再赘述。
下面以生长AlGaAs/InGaAs有源区、利用Ga源和Al源中的C对AlGaAs垒层进行掺杂为例说明。
一种高增益有源区的生长方法，包括以下步骤：
S1、温度为600-780摄氏度，通入H2、三甲基镓、三甲基铝和ASH3，ASH3流量为50-1000，生长1-5nm的第一AlGaAs层；本步骤中通过本征半导体以及高温有效提高晶体质量，防止C本底扩散；
S2、逐渐降低ASH3的流量至原流量的50％，小盘氮气H2切换为N2，生长1-5nm的掺C第二AlGaAs层；通过小盘底部气氛的改变，从而使温度降低，进而引起C本底增加，并且V-III组分比降低，C原子替代Al原子，增加了C的并入量，获得更多的载流子，实现对第二AlGaAs层的掺杂C；需要说明的是，ASH3的流量可降低为原流量的30％-60％，本实例优选50％；
S3、在ASH3的流量为原流量的50％和N2环境下生长1-5nm的掺C第三AlGaAs层；本步骤在低温、低V-III组分比环境下，获得更高的C掺杂浓度，进一步提高载流子浓度，对第三AlGaAs层实现更高浓度的C掺杂；
S4、逐渐升高ASH3的流量至原流量，小盘N2切换为H2，生长1-5nm的掺C第四AlGaAs层；本步骤中逐渐升高温度和V-III组分比，使得Al和Ga化学键更容易结合，并且实现降低C的并入，形成具有一定掺杂的第四AlGaAs层，同时由于高温生长提高AlGaAs晶体质量，起到防止杂质扩散的作用；
S4、在ASH3的流量为原流量和H2环境下生长1-5nm的第五AlGaAs层；本步骤中，温度和V-III组分比恢复至原状态，提高晶体质量，降低杂质引入，从而防止C本底扩散。
S5、生长3-9nm的InGaAs层。
以上步骤重复生长1-5个周期。
综上所述，本发明通过控制V族源的流量调节V-III组分比，通过切换载气调节温度，利用生长源自身来实现垒层掺杂，避免引入其他杂质，并配合温度调节提高晶体质量，防止杂质扩散。本发明有效避免了现有技术中的杂质缺陷，制得垒层具有掺杂的高增益有源区，增加了空穴的注入，有效增加了电子与空穴复合，减少了电子溢流现象的产生；并且由于掺杂，降低了有源区的串联电阻；另外，现有有源区大部分电子集聚在最后一对量子阱垒层内，产生一定的焦耳热，易产生深能级，本发明通过垒层掺杂实现电子集聚于多对量子阱垒层内，降低了深能级和焦耳热的产生，显著提高了增益。
可以理解的，本发明中所述的“上”、“下”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种高增益有源区的生长方法，包括：周期***替生长垒层和阱层，其特征在于，垒层的生长具体包括：
通入III族源和V族源，所述III族源为金属有机物，降低温度和V-III组分比，使C原子替代Al原子，形成具有掺杂的垒层，所述V-III组分比为V族源的组分与III族源的组分的比；
其中，通入所述V族源和所述III族源的同时通入载气，通过切换载气来降低温度。
2.根据权利要求1所述的高增益有源区的生长方法，其特征在于，通过降低V族源的流量来降低V-III组分比。
3.根据权利要求2所述的高增益有源区的生长方法，其特征在于，所述V族源的流量降低40％-70％。
4.根据权利要求1所述的高增益有源区的生长方法，其特征在于，降低温度和V-III组分比，形成具有掺杂的垒层具体包括：
在V-III组分比为第一比值和温度为第一温度环境下生长无掺杂的第一子垒层；
降低V-III组分比至第二比值，降低温度至第二温度，生长具有掺杂的第二子垒层；
升高V-III组分比至第一比值，升高温度至第一温度，生长无掺杂的第三子垒层。
5.根据权利要求1所述的高增益有源区的生长方法，其特征在于，降低温度和V-III组分比，形成具有掺杂的垒层具体包括：
在V-III组分比为第一比值和温度为第一温度环境下生长无掺杂的第四子垒层；
逐渐降低V-III组分比至第二比值，逐渐降低温度至第二温度，生长具有掺杂的第五子垒层；
维持V-III组分比为第二比值，维持温度为第二温度，生长具有掺杂的第六子垒层；
逐渐升高V-III组分比至第一比值，逐渐升高温度至第一温度，生长具有掺杂的第七子垒层；
维持V-III组分比为第一比值，维持温度为第一温度，生长具有掺杂的第八子垒层。
6.根据权利要求5所述的高增益有源区的生长方法，其特征在于，所述第六子垒层的掺杂浓度高度分别高于第五子垒层的掺杂浓度和第七子垒层的掺杂浓度。
7.根据权利要求1所述的高增益有源区的生长方法，其特征在于，所述III族源包括Al源、Ga源、In源中的一种或多种，所述V族源包括As源。
8.根据权利要求7所述的高增益有源区的生长方法，其特征在于，垒层的生长具体包括：
温度为600-780摄氏度，通入H2、三甲基镓、三甲基铝和ASH3，ASH3流量为50-1000，生长1-5nm的第一AlGaAs层；
逐渐降低ASH3的流量至原流量的30％-60％，小盘氮气H2切换为N2，生长1-5nm的掺C第二AlGaAs层；
在ASH3的流量为原流量的30％-60％和N2环境下生长1-5nm的掺C第三AlGaAs层；
逐渐升高ASH3的流量至原流量，小盘N2切换为H2，生长1-5nm的掺C第四AlGaAs层；
在ASH3的流量为原流量和H2环境下生长1-5nm的第五AlGaAs层。
9.一种VCSEL的生长方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次生长缓冲层、N型DBR层、高增益有源区、氧化层和P型DBR层，所述高增益有源区的生长方法如权利要求1-8任意一项所述。
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