專利名稱：制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法選擇外延生長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.6-2.0微米)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷(InGaAs/InGaAsP)量子阱激光器。
背景技術(shù)：
隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)環(huán)保事業(yè)的投入不斷增加。由于受汽車尾氣等污染源的影響，城市大氣中的氮氧化物、一氧化碳(CO)含量較高，監(jiān)測(cè)這些污染物的含量對(duì)治理大氣污染是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。礦山開(kāi)采中的瓦斯(甲烷)爆炸威脅工人的生命安全，能夠時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷濃度的儀器對(duì)礦山開(kāi)采的重要性是不言而喻的。
傳統(tǒng)的根據(jù)氣體分子質(zhì)量分析氣體含量的方法，由于其分析精度和造價(jià)等原因，而不能適用于日趨廣泛的高精度，時(shí)時(shí)監(jiān)控等應(yīng)用。氣體分子光吸收譜就像人類的指紋，利用氣體分子的吸收光譜是氣體種類識(shí)別和氣體分子濃度測(cè)定的有效手段。光譜氣體傳感是利用了波長(zhǎng)范圍在1-20μm的不同氣體的分子振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)吸收特征譜。激光光源一般采用固定頻率的氣體激光器或可調(diào)諧鉛鹽激光器。有關(guān)可調(diào)諧鉛鹽激光器用于微量氣體傳感的研究開(kāi)展的較早，可獲得良好的氣體選擇性和很高的檢測(cè)靈敏度。然而這種激光器價(jià)格昂貴，發(fā)射譜線多模，輸出功率相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)笨重，而且需要工作于低溫環(huán)境。這些因素嚴(yán)重制約了其在氣體傳感中的廣泛應(yīng)用。
甲烷，氯化氫，溴化氫，一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物(CH4，HCl，HBr，CO，CO2，NOx)在1.6-2.0微米波段內(nèi)有較強(qiáng)的吸收峰，因此這些氣體的激光傳感器需要1.6-2.0微米波段的單模激光器。這要求在有源層內(nèi)需引入較大應(yīng)力，并需要加大量子阱的寬度，這容易導(dǎo)致晶格發(fā)生弛豫，晶體質(zhì)量下降。而且大應(yīng)變的InGaAs阱材料由于In含量高，需要低溫生長(zhǎng)，但是壘材料和限制層材料InGaAsP需要在較高的溫度下生長(zhǎng)。而故需要優(yōu)化金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積生長(zhǎng)法的生長(zhǎng)條件。
InGaAs有源層需要在較低的溫度下生長(zhǎng)，以防止銦原子遷移形成富銦的“小島”。但是較低的生長(zhǎng)溫度卻導(dǎo)致較差的晶體質(zhì)量，激光器性能很差。
采用選擇外延方法(SAG)生長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變InGaAs/InGaAsP量子阱激光器可以解決以上問(wèn)題。使用三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn)，和砷烷(AsH3)生長(zhǎng)InGaAs，Ga和In在H2載氣中的擴(kuò)散系數(shù)決定于粒子本身的質(zhì)量、以及粒子與載氣粒子之間碰撞截面的大小，Ga和In在H2載氣中的擴(kuò)散系數(shù)基本相同。但是Ga和In在襯底表面單位裂解物濃度的吸附速率K卻有很大的差異，KGa/KIn≈0.14，粒子吸附速率的差異導(dǎo)致在選擇生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)將富In，因?yàn)閺难谀Ｉ贤ㄟ^(guò)橫向擴(kuò)散到選擇生長(zhǎng)區(qū)的In源更易被襯底吸附而反映成核。因此用選擇外延方法(SAG)生長(zhǎng)InGaAs有源區(qū)時(shí)，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)壓力，V/III，掩模寬度等條件提高選擇生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)In組分的含量，這樣避免了降低生長(zhǎng)溫度提高InGaAs有源區(qū)內(nèi)In組分的含量。即其他生長(zhǎng)條件都不改變，就可以增加激光器的波長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，可以提高選擇區(qū)內(nèi)In組分的含量；在其他生長(zhǎng)條件都不改變的情況下，可以增加激光器的波長(zhǎng)。通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)壓力，V/III，掩模寬度等條件提高選擇生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)In組分的含量，這樣避免了降低生長(zhǎng)溫度提高InGaAs有源區(qū)內(nèi)In組分的含量。
本發(fā)明一種制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在n型磷化銦襯底上外延生長(zhǎng)磷化銦緩沖層；步驟2采用PECVD法在磷化銦緩沖層上生長(zhǎng)二氧化硅層，光刻制備出兩條形的掩模圖形；步驟3采用MOCVD法在磷化銦緩沖層上外延生長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)；步驟4在激光器結(jié)構(gòu)上制備布拉格光柵；步驟5在布拉格光柵上二次外延光限制層和接觸層；步驟6光刻，形成脊型波導(dǎo)；步驟7在脊型波導(dǎo)的兩側(cè)及上面和激光器結(jié)構(gòu)的表面生長(zhǎng)二氧化硅層；步驟8腐蝕掉脊型波導(dǎo)上面的二氧化硅層，形成電極窗口；
步驟9在器件的整個(gè)上表面濺射鈦/鉑/金；步驟10背面減薄，蒸發(fā)金/鍺/鎳n面電極，完成器件的制作。
其中激光器結(jié)構(gòu)包括下波導(dǎo)層、多量子阱和上波導(dǎo)層。
其中兩條形的掩模圖形的寬度為10-30微米，兩條形掩模圖形中間生長(zhǎng)區(qū)寬度為10-15微米。
其中多量子阱的結(jié)構(gòu)包括交替疊加的壓應(yīng)變銦鎵砷材料和張應(yīng)變銦鎵砷磷材料，該壓應(yīng)變銦鎵砷材料的厚度為10nm，帶隙波長(zhǎng)為1.6-2.0微米；該張應(yīng)變銦鎵砷磷材料的厚度為15nm，帶隙波長(zhǎng)為1.25微米。
其中多量子阱的生長(zhǎng)溫度為620-655度，生長(zhǎng)壓力為20-60毫巴。
本發(fā)明的特點(diǎn)是1、用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法選擇外延方法(SAG)生長(zhǎng)InGaAs有源區(qū)時(shí)，可以提高選擇區(qū)內(nèi)In組分的含量。在其他生長(zhǎng)條件都不改變的情況下，可以增加激光器的波長(zhǎng)。
2、通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)壓力，V/III，掩模寬度等條件提高選擇生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)In組分的含量，這樣避免了降低生長(zhǎng)溫度提高InGaAs有源區(qū)內(nèi)In組分的含量。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中
圖1為在襯底上外延磷化銦緩沖層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為光刻出掩膜圖形后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為外延生長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為去掉掩膜圖形并刻蝕出布拉格光柵后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為外延光限制層、接觸層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為光刻出脊型波導(dǎo)后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為刻制出脊波導(dǎo)窗口后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1至圖8，本發(fā)明一種制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，包括如下步驟1、在n型磷化銦襯底1上外延生長(zhǎng)磷化銦緩沖層2；2、采用PECVD法在磷化銦緩沖層2上生長(zhǎng)二氧化硅層，光刻制備出兩條形的掩模圖形3，該兩條形的掩模圖形3的寬度為10-30微米，兩條形掩模圖形3中間生長(zhǎng)區(qū)寬度為10-15微米；3、采用MOCVD法在磷化銦緩沖層2上外延生長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)100，該激光器結(jié)構(gòu)100包括下波導(dǎo)層4、多量子阱5和上波導(dǎo)層6，其中多量子阱5的結(jié)構(gòu)包括交替疊加的壓應(yīng)變銦鎵砷材料和張應(yīng)變銦鎵砷磷材料，該壓應(yīng)變銦鎵砷材料的厚度為10nm，帶隙波長(zhǎng)為1.6-2.0微米；該張應(yīng)變銦鎵砷磷材料的厚度為15nm，帶隙波長(zhǎng)為1.25微米；該多量子阱5的生長(zhǎng)溫度為620-655度，生長(zhǎng)壓力為20-60毫巴；4、在激光器結(jié)構(gòu)100上制備布拉格光柵7；5、在布拉格光柵7上二次外延光限制層8和接觸層9；6、光刻，形成脊型波導(dǎo)；7、在脊型波導(dǎo)的兩側(cè)及上面和激光器結(jié)構(gòu)100的表面生長(zhǎng)二氧化硅層10；8、腐蝕掉脊型波導(dǎo)上面的二氧化硅層，形成電極窗口；9、在器件的整個(gè)上表面濺射鈦/鉑/金11；10、背面減薄，蒸發(fā)金/鍺/鎳n面電極12，完成器件的制作。
實(shí)施例請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D1至圖8，本發(fā)明一種制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，包括如下步驟1.在清洗干凈的n型InP襯底1上外延生長(zhǎng)Si摻雜的InP緩沖層2。厚度為1-2微米，摻雜濃度為2×1018，見(jiàn)圖1。
2.在外延片表面熱氧化淀積一層厚度為0.2～0.3μm的SiO2掩蔽層，然后，掩膜光刻出如圖2所示的SAG掩膜圖形結(jié)構(gòu)3，其中SiO2掩膜區(qū)的寬度為10-30微米，中間生長(zhǎng)區(qū)寬度為10-15微米。
3.外延片經(jīng)過(guò)清洗后在MOCVD中生長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)100。如圖3所示，從下向上結(jié)構(gòu)依次為100nm的銦鎵砷磷(InGaAsP)下波導(dǎo)層4，帶隙波長(zhǎng)為1.3微米；3-5層多量子阱5，阱材料為壓應(yīng)變銦鎵砷(InGaAs)，厚度為10nm，帶隙波長(zhǎng)為1.6-2.0微米，壘材料為張應(yīng)變銦鎵砷磷(InGaAsP)，厚度為15nm，帶隙波長(zhǎng)為1.25微米；100nm的銦鎵砷磷(InGaAsP)上波導(dǎo)層6，帶隙波長(zhǎng)為1.3微米。生長(zhǎng)溫度為620-655度，生長(zhǎng)壓力為20-60毫巴。
4.腐蝕去掉SiO2掩模圖形；采用全息曝光、干法和濕法刻蝕相結(jié)合，在上波導(dǎo)層刻制一級(jí)Bragg光柵，周期為250nm-320nm，刻制出的Bragg光柵7，如圖4所示。
5.外延片清洗處理后，二次外延生長(zhǎng)光限制層和電接觸層，各層的生長(zhǎng)次序如圖5所示。光限制層8為InP材料，厚度為1～3微米，接觸層9為銦鎵砷(InGaAs)材料，厚度0.1～0.5μm，p型摻雜，摻雜濃度為8×1018。
6.光刻濕法腐蝕制備脊型波導(dǎo)，條寬為3微米，脊深為1-3微米，見(jiàn)圖6。
7.大面積熱氧化淀積絕緣介質(zhì)膜SiO210，然后，采用自對(duì)準(zhǔn)工藝刻制出脊波導(dǎo)窗口見(jiàn)圖7。
8.濺射鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)11，厚度為0.1～0.5μm厚，芯片減薄到100μm左右，并在背面蒸發(fā)金/鍺/鎳(Au/Ge/Ni)n面電極12，見(jiàn)圖8，完成整個(gè)器件。
用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法選擇外延(SAG)生長(zhǎng)InGaAs有源區(qū)時(shí)，可以提高選擇區(qū)內(nèi)In組分的含量。在其他生長(zhǎng)條件都不改變的情況下，可以增加激光器的波長(zhǎng)。通過(guò)優(yōu)化掩模寬度，生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)壓力，V/III，等條件得到高質(zhì)量的大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器。
權(quán)利要求
1.一種制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在n型磷化銦襯底上外延生長(zhǎng)磷化銦緩沖層；步驟2采用PECVD法在磷化銦緩沖層上生長(zhǎng)二氧化硅層，光刻制備出兩條形的掩模圖形；步驟3采用MOCVD法在磷化銦緩沖層上外延生長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)；步驟4在激光器結(jié)構(gòu)上制備布拉格光柵；步驟5在布拉格光柵上二次外延光限制層和接觸層；步驟6光刻，形成脊型波導(dǎo)；步驟7在脊型波導(dǎo)的兩側(cè)及上面和激光器結(jié)構(gòu)的表面生長(zhǎng)二氧化硅層；步驟8腐蝕掉脊型波導(dǎo)上面的二氧化硅層，形成電極窗口；步驟9在器件的整個(gè)上表面濺射鈦/鉑/金；步驟10背面減薄，蒸發(fā)金/鍺/鎳n面電極，完成器件的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，其特征在于，其中激光器結(jié)構(gòu)包括下波導(dǎo)層、多量子阱和上波導(dǎo)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，其特征在于，其中兩條形的掩模圖形的寬度為10-30微米，兩條形掩模圖形中間生長(zhǎng)區(qū)寬度為10-15微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，其特征在于，其中多量子阱的結(jié)構(gòu)包括交替疊加的壓應(yīng)變銦鎵砷材料和張應(yīng)變銦鎵砷磷材料，該壓應(yīng)變銦鎵砷材料的厚度為10nm，帶隙波長(zhǎng)為1.6-2.0微米；該張應(yīng)變銦鎵砷磷材料的厚度為15nm，帶隙波長(zhǎng)為1.25微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，其特征在于，其中多量子阱的生長(zhǎng)溫度為620-655度，生長(zhǎng)壓力為20-60毫巴。
全文摘要
一種制備長(zhǎng)波長(zhǎng)大應(yīng)變銦鎵砷/銦鎵砷磷量子阱激光器的方法，包括如下步驟步驟1在n型磷化銦襯底上外延生長(zhǎng)磷化銦緩沖層；步驟2采用PECVD法在磷化銦緩沖層上生長(zhǎng)二氧化硅層，光刻制備出兩條形的掩模圖形；步驟3采用MOCVD法在磷化銦緩沖層上外延生長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)；步驟4在激光器結(jié)構(gòu)上制備布拉格光柵；步驟5在布拉格光柵上二次外延光限制層和接觸層；步驟6光刻，形成脊型波導(dǎo)；步驟7在脊型波導(dǎo)的兩側(cè)及上面和激光器結(jié)構(gòu)的表面生長(zhǎng)二氧化硅層；步驟8腐蝕掉脊型波導(dǎo)上面的二氧化硅層，形成電極窗口；步驟9在器件的整個(gè)上表面濺射鈦/鉑/金；步驟10背面減薄，蒸發(fā)金/鍺/鎳n面電極，完成器件的制作。
文檔編號(hào)H01S5/343GK1838493SQ200510059189
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者潘教青, 趙謙, 王圩, 朱洪亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所