大功率激光器外延片及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别是涉及一种大功率激光器外延片及其制备方法。


背景技术：

2.半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高以及成本低的优点，其在激光存储、激光泵浦、激光打印、材料加工、激光打标、激光医疗、医疗器械以及空间光通信等领域有着广泛应用，同时在军事领域也可应用于激光打靶、激光制导、激光夜视、激光雷达、激光引信、激光武器以及战争模拟等。其中，半导体激光器外延片的结构和性能对大功率激光器的性能具有重要的影响。
3.目前，在采用mocvd设备生长大功率激光器外延片时，外延载气一般为氢气(h2)，且p型掺杂一般采用镁(mg)或碳(c)。然而，mg和c均易与氢气中的h形成mg-h键或c-h键，导致mg和c难以并入晶格形成掺杂物质。大功率激光器通常需要采用高掺杂的限制层和波导层来减小电阻、增加空穴注入效率。当mg/c掺杂流量到达一定程度后，由于mg-h键或c-h键的存在，离化率降低，间隙mg/c原子增多，导致大功率激光器中的限制层和波导层晶体质量变差，且与量子阱有源层生长界面处的点缺陷以及位错等增多，在高电流密度下工作，产生大量电子空穴对、热梯度、潜在的应力场以及量子阱有源层内的大量非辐射复合，促进了孤立的缺陷运动、增加、生长成簇，从而降低了半导体激光器的性能和可靠性。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种能够提高激光器性能和可靠性的大功率激光器外延片的制备方法。
5.另，还有必要提供一种由上述制备方法制备的大功率激光器外延片。
6.本发明一方面提供了一种大功率激光器外延片的制备方法，包括以下步骤：
7.以氢气为载气，在衬底上依次生长缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱有源层以及p型上波导层，且当所述p型上波导层的掺杂浓度大于1e17cm-3
且小于5e18cm-3
时，将所述载气由氢气切换为氮气或氩气；以及
8.以氮气或氩气为载气，在所述p型上波导层依次生长p型上限制层以及p型欧姆接触层。
9.在其中一些实施例中，所述p型上波导层的掺杂物质为镁和碳中的至少一种，所述p型上限制层的掺杂物质为镁和碳中的至少一种。
10.在其中一些实施例中，所述p型上波导层的掺杂浓度为0～5e17cm-3
，所述p型上限制层的掺杂浓度为0.5e18cm-3
～5e18cm-3
。
11.在其中一些实施例中，所述p型上波导层的厚度为200～500nm，所述p型上限制层的厚度为1000～2000nm。
12.在其中一些实施例中，所述p型上波导层为p型algainp上波导层，所述p型上限制
层为p型algainp上限制层。
13.在其中一些实施例中，所述衬底为n型gaas衬底，所述缓冲层为n型缓冲层，所述下限制层为n型下限制层，所述下波导层为n型下波导层。
14.在其中一些实施例中，所述n型下波导层和所述p型上波导层均采用线性掺杂的方式制备。
15.在其中一些实施例中，当以氮气或氩气为载气时，氮气或氩气的纯度大于7n。
16.在其中一些实施例中，在所述衬底上生长所述缓冲层之前，所述制备方法还包括：
17.将所述衬底放入到mocvd设备中；以及
18.以氢气为载气，并加热所述衬底。
19.本发明另一方面提供了一种由所述的大功率激光器外延片的制备方法制备的大功率激光器外延片。
20.本发明在当p型上波导层的掺杂浓度大于1e17cm-3
且小于5e18cm-3
时，将载气由氢气切换为氮气或氩气，以得到高掺杂的p型上波导层以及p型上限制层，减少了mg-h键或c-h键，提高了掺杂物质的激活率，减少了杂质浓度，从而提高了所述大功率激光器外延片的性能及可靠性，进而提高了大功率激光器的性能及可靠性。
附图说明
21.图1为本发明提供的大功率激光器外延片的剖视图。
22.图标：100-大功率激光器外延片；10-衬底；20-缓冲层；30-下限制层；40-下波导层；50-量子阱有源层；60-p型上波导层；70-p型上限制层；80-p型欧姆接触层。
具体实施方式
23.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
24.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
25.请参阅图1，本发明提供一种大功率激光器外延片的制备方法，包括以下步骤：
26.步骤s11，将衬底10放入mocvd设备中。
27.在一实施例中，所述衬底10为n型衬底。在一实施例中，所述n型衬底的掺杂物质为硅(si)。在一实施例中，所述n型衬底的掺杂浓度为2e18cm-3
。在一实施例中，所述n型衬底为n型gaas衬底。在一实施例中，所述衬底10的厚度可为350μm。
28.步骤s12，以氢气为载气，加热所述衬底10。
29.具体地，通过所述mocvd设备将所述衬底10加热至700℃。
30.步骤s13，以氢气为载气，在所述衬底10上依次生长缓冲层20、下限制层30、下波导层40、量子阱有源层50以及p型上波导层60，且当所述p型上波导层60的掺杂浓度大于
1e17cm-3
且小于5e18cm-3
时，将所述载气由氢气切换为氮气或氩气。
31.其中，当以氮气或氩气为载气时，氮气或氩气的纯度大于7n。
32.可以理解，在生长所述缓冲层20、所述下限制层30、所述下波导层40、所述量子阱有源层50以及所述p型上波导层60时，需要向所述mocvd设备中通入相应的源气体。
33.在一实施例中，所述缓冲层20为n型缓冲层。在一实施例中，所述n型缓冲层的掺杂物质为硅(si)。在一实施例中，所述n型缓冲层的掺杂浓度为1e18cm-3
～3e18cm-3
。在一实施例中，所述n型缓冲层为n型gaas缓冲层。在一实施例中，所述缓冲层20的厚度可为400nm。
34.在一实施例中，所述下限制层30为n型下限制层。在一实施例中，所述n型gaas下限制层的掺杂物质为碲(te)。在一实施例中，所述n型下限制层的掺杂浓度为1e18cm-3
。在一实施例中，所述n型下限制层为n型gaas下限制层。在一实施例中，所述下限制层30的厚度可为1500nm。
35.在一实施例中，所述下波导层40为n型下波导层。在一实施例中，所述n型下波导层的掺杂物质为碲(te)。在一实施例中，所述n型下波导层的掺杂浓度为0～1e18cm-3
。在一实施例中，所述n型下波导层为n型algainp下波导层。在一实施例中，所述下波导层40的厚度可为220nm。
36.其中，所述n型下波导层采用线性掺杂的方式制备。即制备所述n型下波导层时，向所述mocvd设备中通入的掺杂源气体流量和掺杂浓度呈线性比例关系，以提高制备所述n型下波导层时的稳定性和可控性，从而提高批量制备所述n型下波导层时的良率。
37.在一实施例中，所述量子阱有源层50的厚度可为8nm。在一实施例中，所述量子阱有源层50发射的波长可为664nm。在一实施例中，所述量子阱有源层50为非掺杂的量子阱有源层。在一实施例中，所述非掺杂的量子阱有源层为非掺杂的gainp量子阱有源层。
38.在一实施例中，所述p型上波导层60的掺杂物质为镁(mg)和碳(c)中的至少一种。在一实施例中，所述p型上波导层60的掺杂浓度可为0～5e17cm-3
。在一实施例中，所述p型上波导层60为p型algainp上波导层。在一实施例中，所述p型上波导层60的厚度可为200～500nm。
39.其中，所述p型上波导层60采用线性掺杂的方式制备。即制备所述p型上波导层60时，向所述mocvd设备中通入的掺杂源气体流量和掺杂浓度呈线性比例关系，以提高制备所述p型上波导层60时的稳定性和可控性，从而提高批量制备所述p型上波导层60时的良率。
40.步骤s14，以氮气或氩气为载气，在所述p型上波导层60依次生长p型上限制层70以及p型欧姆接触层80，从而得到大功率激光器外延片100。
41.其中，当以氮气或氩气为载气时，氮气或氩气的纯度大于7n。
42.可以理解，在生长所述p型上限制层70和所述p型欧姆接触层80时，需要向所述mocvd设备中通入相应的源气体。
43.在一实施例中，所述p型上限制层70的掺杂物质为镁(mg)和碳(c)中的至少一种。在一实施例中，所述p型上限制层70的掺杂浓度为0.5e18cm-3
～5e18cm-3
。在一实施例中，所述p型上限制层70为p型algainp上限制层。在一实施例中，所述p型上限制层70的厚度可为1000～2000nm。
44.在一实施例中，所述p型欧姆接触层80的掺杂物质为镁(mg)和碳(c)中的至少一种。在一实施例中，所述p型欧姆接触层80的掺杂浓度可为3e19cm-3
。在一实施例中，所述p型
欧姆接触层80为p型gaas欧姆接触层。在一实施例中，所述p型欧姆接触层80的厚度可为100nm。
45.本发明在当所述p型上波导层60的掺杂浓度大于1e17cm-3
且小于5e18cm-3
时，将载气由氢气切换为氮气或氩气，以得到高掺杂的所述p型上波导层60以及所述p型上限制层70，减少了mg-h键或c-h键，提高了掺杂物质的激活率，减少了杂质浓度，从而提高了所述大功率激光器外延片100的性能及可靠性，进而提高了大功率激光器的性能及可靠性。
46.请再次参阅图1，本发明还提供一种由上述大功率激光器外延片的制备方法制备的大功率激光器外延片100，所述大功率激光器外延片100包括依次层叠设置的衬底10、缓冲层20、下限制层30、下波导层40、量子阱有源层50、p型上波导层60、p型上限制层70以及p型欧姆接触层80。
47.在一实施例中，所述衬底10为n型衬底。在一实施例中，所述n型衬底的掺杂物质为硅(si)。在一实施例中，所述n型衬底的掺杂浓度为2e18cm-3
。在一实施例中，所述n型衬底为n型gaas衬底。在一实施例中，所述衬底10的厚度可为350μm。
48.在一实施例中，所述缓冲层20为n型缓冲层。在一实施例中，所述n型缓冲层的掺杂物质为硅(si)。在一实施例中，所述n型缓冲层的掺杂浓度为1e18cm-3
～3e18cm-3
。在一实施例中，所述n型缓冲层为n型gaas缓冲层。在一实施例中，所述缓冲层20的厚度可为400nm。
49.在一实施例中，所述下限制层30为n型下限制层。在一实施例中，所述n型gaas下限制层的掺杂物质为碲(te)。在一实施例中，所述n型下限制层的掺杂浓度为1e18cm-3
。在一实施例中，所述n型下限制层为n型gaas下限制层。在一实施例中，所述下限制层30的厚度可为1500nm。
50.在一实施例中，所述下波导层40为n型下波导层。在一实施例中，所述n型下波导层的掺杂物质为碲(te)。在一实施例中，所述n型下波导层的掺杂浓度为0～1e18cm-3
。在一实施例中，所述n型下波导层为n型algainp下波导层。在一实施例中，所述下波导层40的厚度可为220nm。
51.在一实施例中，所述量子阱有源层50的厚度可为8nm。在一实施例中，所述量子阱有源层50发射的波长可为664nm。在一实施例中，所述量子阱有源层50为非掺杂的量子阱有源层。在一实施例中，所述非掺杂的量子阱有源层为非掺杂的gainp量子阱有源层。
52.在一实施例中，所述p型上波导层60的掺杂物质为镁(mg)和碳(c)中的至少一种。在一实施例中，所述p型上波导层60的掺杂浓度可为0～5e17cm-3
。在一实施例中，所述p型上波导层60为p型algainp上波导层。在一实施例中，所述p型上波导层60的厚度可为200～500nm。
53.在一实施例中，所述p型上限制层70的掺杂物质为镁(mg)和碳(c)中的至少一种。在一实施例中，所述p型上限制层70的掺杂浓度为0.5e18cm-3
～5e18cm-3
。在一实施例中，所述p型上限制层70为p型algainp上限制层。在一实施例中，所述p型上限制层70的厚度可为1000～2000nm。
54.在一实施例中，所述p型欧姆接触层80的掺杂物质为镁(mg)和碳(c)中的至少一种。在一实施例中，所述p型欧姆接触层80的掺杂浓度可为3e19cm-3
。在一实施例中，所述p型欧姆接触层80为p型gaas欧姆接触层。在一实施例中，所述p型欧姆接触层80的厚度可为100nm。
55.以下通过具体实施例和对比例对本发明作进一步说明。
56.实施例1
57.第一步，将n型gaas衬底放入mocvd腔体中，以h2为载气，在ash3气氛下将mocvd腔体的温度升高到700℃，并保持3min。
58.第二步，向mocvd腔体中通入tmga和sih4源气体，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在n型gaas衬底上生长厚度为400nm的n型gaas缓冲层，并使n型gaas缓冲层的掺杂浓度为3e18cm-3
，载气为h2。
59.第三步，将v族源切换为ph3，向mocvd腔体中通入tmal、tmga、tmin和dete源气体，并将mocvd腔体的温度升高到730℃，以在n型gaas缓冲层上生长厚度为1500nm的n型algainp下限制层，并使n型algainp下限制层的掺杂浓度为1e18cm-3
，载气为h2。
60.第四步，改变tmal、tmga、tmin和dete的源气体量，并保持mocvd腔体的温度为730℃，以在n型algainp下限制层上生长厚度为220nm n型algainp下波导层，并使n型algainp下波导层的掺杂浓度为1e18cm-3
，载气为h2。
61.第五步，将mocvd腔体的温度降低到700℃，并向mocvd腔体中通入tmga和tmin源气体，以在n型algainp下波导层上生长厚度为8nm的非掺杂的gainp量子阱有源层，载气为h2。
62.第六步，向mocvd腔体中通入tmal、tmga、tmin和cp2mg源气体，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在非掺杂的gainp量子阱有源层上生长厚度为220nm的p型algainp上波导层，并使p型algainp上波导层的掺杂浓度为5e17cm-3
。特别地，前44nm厚度的p型algainp上波导层的掺杂浓度为1e17cm-3
，生长时采用的载气为h2，后176nm厚度的p型algainp上波导层的掺杂浓度为4e17cm-3
，生长时采用的载气为ar。其中，p型algainp上波导层的生长速率为0.2nm/s，总生长时间为1100s，在前220s时间内采用的载气为h2，在后880s时间内采用的载气为ar。
63.第七步，改变tmal、tmga、tmin和cp2mg的源气体量，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在p型algainp上波导层上生长厚度为1200nm的p型algainp上限制层，并使p型algainp上限制层的掺杂浓度为0.5e18cm-3
，载气为ar。
64.第八步，将v族源切换为ash3，并将mocvd腔体的温度降低到600℃后通入tmga和cbr4源气体，以在p型algainp上限制层上生长厚度为100nm c掺杂的p型gaas欧姆接触层，并使p型gaas欧姆接触层的掺杂浓度为3e19cm-3
，载气为h2。
65.第九步，生长完成后，将mocvd腔体的温度降至室温，并取出大功率激光器外延片。
66.实施例1制备的大功率激光器外延片的各个参数如下表1所示。
67.表1
[0068][0069]
实施例2
[0070]
第一步，将n型gaas衬底放入mocvd腔体中，以h2为载气，在ash3气氛下将mocvd腔体的温度升高到700℃，并保持3min。
[0071]
第二步，向mocvd腔体中通入tmga和sih4源气体，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在n型gaas衬底上生长厚度为400nm的n型gaas缓冲层，并使n型gaas缓冲层的掺杂浓度为3e18cm-3
，载气为h2。
[0072]
第三步，将v族源切换为ph3，向mocvd腔体中通入tmal、tmga、tmin和dete源气体，并将mocvd腔体的温度升高到730℃，以在n型gaas缓冲层上生长厚度为1500nm的n型algainp下限制层，并使n型algainp下限制层的掺杂浓度为1e18cm-3
，载气为h2。
[0073]
第四步，改变tmal、tmga、tmin和dete的源气体量，并保持mocvd腔体的温度为730℃，以在n型algainp下限制层上生长厚度为220nm n型algainp下波导层，并使n型algainp下波导层的掺杂浓度为1e18cm-3
，载气为h2。
[0074]
第五步，将mocvd腔体的温度降低到700℃，并向mocvd腔体中通入tmga和tmin源气体，以在n型algainp下波导层上生长厚度为8nm的非掺杂的gainp量子阱有源层，载气为h2。
[0075]
第六步，向mocvd腔体中通入tmal、tmga、tmin和cp2mg源气体，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在非掺杂的gainp量子阱有源层上生长厚度为220nm的p型algainp上波导层，并使p型algainp上波导层的掺杂浓度为0～5e17cm-3
。特别地，前44nm厚度的p型algainp上波导层的掺杂浓度为0～1e17cm-3
，生长时采用的载气为h2，后176nm厚度的p型algainp上波导层的掺杂浓度为1e17cm-3
～5e17cm-3
，生长时采用的载气为ar。其中，p型algainp上波导层的生长速率为0.2nm/s，总生长时间为1100s，在前220s时间内采用的载气为h2，在后880s时间内采用的载气为ar。
[0076]
第七步，改变tmal、tmga、tmin和cp2mg的源气体量，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在p型algainp上波导层上生长厚度为1200nm的p型algainp上限制层，并使p型
algainp上限制层的掺杂浓度为5e18cm-3
，载气为ar。
[0077]
第八步，将v族源切换为ash3，并将mocvd腔体的温度降低到600℃后通入tmga和cbr4源气体，以在p型algainp上限制层上生长厚度为100nm c掺杂的p型gaas欧姆接触层，并使p型gaas欧姆接触层的掺杂浓度为3e19cm-3
，载气为h2。
[0078]
第九步，生长完成后，将mocvd腔体的温度降至室温，并取出大功率激光器外延片。
[0079]
实施例2制备的大功率激光器外延片的各个参数如下表2所示。
[0080]
表2
[0081][0082]
对比例1
[0083]
第一步，将n型gaas衬底放入mocvd腔体中，以h2为载气，在ash3气氛下将mocvd腔体的温度升高到700℃，并保持3min。
[0084]
第二步，向mocvd腔体中通入tmga和sih4源气体，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在n型gaas衬底上生长厚度为400nm的n型gaas缓冲层，并使n型gaas缓冲层的掺杂浓度为3e18cm-3
，载气为h2。
[0085]
第三步，将v族源切换为ph3，向mocvd腔体中通入tmal、tmga、tmin和dete源气体，并将mocvd腔体的温度升高到730℃，以在n型gaas缓冲层上生长厚度为1500nm的n型algainp下限制层，并使n型algainp下限制层的掺杂浓度为1e18cm-3
，载气为h2。
[0086]
第四步，改变tmal、tmga、tmin和dete的源气体量，并保持mocvd腔体的温度为730℃，以在n型algainp下限制层上生长厚度为220nm n型algainp下波导层，并使n型algainp下波导层的掺杂浓度为1e18cm-3
，载气为h2。
[0087]
第五步，将mocvd腔体的温度降低到700℃，并向mocvd腔体中通入tmga和tmin源气体，以在n型algainp下波导层上生长厚度为8nm的非掺杂的gainp量子阱有源层，载气为h2。
[0088]
第六步，向mocvd腔体中通入tmal、tmga、tmin和cp2mg源气体，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在非掺杂的gainp量子阱有源层上生长厚度为220nm的p型algainp上波导
层，并使p型algainp上波导层的掺杂浓度为5e17cm-3
，载气为h2。其中，p型algainp上波导层的生长速率为0.2nm/s，总生长时间为1100s。
[0089]
第七步，改变tmal、tmga、tmin和cp2mg的源气体量，并保持mocvd腔体的温度为700℃，以在p型algainp上波导层上生长厚度为1200nm的p型algainp上限制层，并使p型algainp上限制层的掺杂浓度为0.5e18cm-3
，载气为ar。
[0090]
第八步，将v族源切换为ash3，并将mocvd腔体的温度降低到600℃后通入tmga和cbr4源气体，以在p型algainp上限制层上生长厚度为100nm c掺杂的p型gaas欧姆接触层，并使p型gaas欧姆接触层的掺杂浓度为3e19cm-3
，载气为h2。
[0091]
第九步，生长完成后，将mocvd腔体的温度降至室温，并取出大功率激光器外延片。
[0092]
对比例1制备的大功率激光器外延片的各个参数如下表3所示。
[0093]
表3
[0094][0095][0096]
分别将实施例1～2和对比例1制备的大功率激光器外延片制备大功率激光器，并对制备的大功率激光器进行性能测试，测试结果表明，相比对比例1制备的大功率激光器，实施例1～2制备的大功率激光器具有较好的性能和可靠性。
[0097]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0098]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。