一种高质量异质隧穿结的外延结构及制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种高质量异质隧穿结的外延结构及制备方法。


背景技术：

2.vcsel(垂直腔面发射激光器)凭借出色的光束质量、简单的设计和紧凑的尺寸等优势，市场持续快速增长。vcsel可为消费类应用(如3d摄像头和移动设备中的人脸识别)以及工业应用(如近距离光检测和测距(lidar)、机器视觉和机器人技术等)提供助力。同时，vcsel由于可以完美的为自动驾驶技术的激光雷达提供芯片化和阵列化的激光器，也成为激光雷达中重要的技术路线，但传统的单结vcsel由于功率较低而造成投射距离较近，无法完全满足激光雷达需求，多节vcsel技术可通过降低所需电流并简化电气驱动器和封装设计来提供远距离应用所需的高峰值光功率密度和高效率，以此增大投射距离，因此制备性能优异的异质隧穿结成为当下多结vcsel发展的重点。
3.然而，一部分特定的隧穿结由两种不同的材料体系构成pn结，通常为algaas/ingap,同时需要高载流子浓度来缩短耗尽区距离，载流子浓度通常高于1e18水准，因此需要较低的生长温度，而隧穿结两边通常分别还需生长较低载流子浓度的过渡层p型algaas层和n型algaas层，而隧穿结两侧的过渡层则需要较高的生长温度，当隧穿结生长结束后立即升温生长n型algaas层时，会造成in原子大量析出，引起隧穿结生长缺陷，造成外延生长缺陷，影响器件(vcsel)性能，同时降低芯片良率。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种高质量异质隧穿结的外延结构及制备方法。
5.为达到以上目的，本发明的技术方案为：
6.一种高质量异质隧穿结外延结构的制备方法，包括以下步骤：
7.s1，将所选gaas衬底放置于mocvd反应室中；
8.s2，在mocvd反应室中，在gaas衬底表面外延生长一层缓冲层；
9.s3，在mocvd反应室中，在缓冲层表面外延生长n型dbr层；
10.s4，在mocvd反应室中，在n型dbr层表面依次交替外延生长量子阱、低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层、隧穿结、gaas保护层、低掺杂n型alxga(1-x)as过渡层、量子阱，形成谐振腔；其中，隧穿结结构包括，依次外延生长于低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层表面的高掺杂p型alxga(1-x)as和n型inxga(1-x)p；所述gaas保护层外延生长于n型inxga(1-x)p的表面；
11.s5，在mocvd反应室中，在谐振腔最外层量子阱表面外延生长p型dbr层；
13.s6，在mocvd反应室中，在p型dbr层表面生长欧姆接触层。
14.进一步，在s4中，保持mocvd反应室生长温度700℃，生长压力维持在100mbar条件
下，在n型dbr层表面外延生长量子阱；量子阱外延生长结束后，保持mocvd反应室生长温度和生长压力维持不变，在量子阱表面外延生长低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层；所述低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层中，0.1≤x≤0.3。
15.进一步，在s4中，当低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层生长结束，将mocvd反应室生长温度调整为650℃，生长压力调整为150mbar条件下，以三甲基镓(tmga),三甲基铝(tmal),砷烷(ash3)为生长源，以四溴化碳(cbr4)为p型掺杂源，在低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层表面生长一层高掺杂p型al0.25ga0.75as。
16.优选的，所述高掺杂p型al0.25ga0.75as载流子浓度为1e20，且外延生长层厚度为10nm。
17.进一步，在s4中，当高掺杂p型al0.25ga0.75as外延生长结束后，将mocvd反应室生长温度保持在650℃，生长压力维持在150mbar条件下，以三甲基镓(tmga),三甲基铟(tmin),磷烷(ph3)为生长源，以二乙基碲(dete)为n型掺杂源，在高掺杂p型al0.25ga0.75as过渡层表面外延生长n型in0.5ga0.5p层。
18.优选的，所述n型in0.5ga0.5p层载流子浓度为1e20，且外延生长层厚度为10nm。
19.进一步，在s4中，当隧穿结中n型in0.5ga0.5p层外延生长结束后，将mocvd反应室生长温度保持在650℃，生长压力维持在150mbar条件下，在in0.5ga0.5p层表面外延生长一层gaas保护层；所述gaas保护层外延生长厚度为2.5nm。
20.进一步，在s4中，当gaas保护层外延生长结束，在mocvd反应室生长温度为700℃，生长压力为100mbar条件下时，在gaas保护层表面依次层叠外延生长低掺杂n型al0.3ga0.7as过渡层、量子阱。
21.优选的，在s3中，所述n型dbr层由30-40组依次层叠生长在缓冲层表面的al0.9ga0.1as/al0.05ga0.95as形成；
22.在s5中，所述p型dbr层由20-30组依次层叠生长在谐振腔最外层量子阱表面的al0.9ga0.1as/al0.05ga0.95as形成。
23.此外，还提供一种高质量异质隧穿结外延结构，由上述高质量异质隧穿结外延结构制备方法，得到的高质量异质隧穿结外延结构。
24.与现有技术比较，本发明的有益效果为：
25.本发明提供了一种高质量异质隧穿结外延结构制备方法，通过在异质隧穿结n型ingap生长结束后，低温生长一层超薄保护层，并结合150mba的压力条件有效限制了后续低掺杂n型al0.3ga0.7as生长，升温过程中in(铟)原子的析出，攻克了ingap生长缺陷，保证了隧穿结的生长质量，同时有效改善了外延片的生长缺陷，增大了激光器的功率，保证垂直腔面发射激光器的发光性能，同时提高了芯片良率。
附图说明
26.图1是本发明中异质隧穿结外延结构制备方法的流程图；
27.图2是本发明中异质隧穿结外延结构的示意图；
28.图3是含有本发明高质量异质隧穿结外延结构的vcsel表面particle(粒子)缺陷分布图；
29.图4是现有普通隧穿结外延结构的vcsel表面particle(粒子)缺陷分布图。
30.其中，1—gaas衬底；2—缓冲层；3—n型dbr层；4—量子阱；5—低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层；6—隧穿结；61—高掺杂p型alxga(1-x)as层；62—n型inxga(1-x)层；7—gaas保护层；8—低掺杂n型alxga(1-x)as过渡层；9—p型dbr层；10—欧姆接触层。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明做详细描述，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，都属于本发明的保护范围。
32.本技术主要针对由两种不同的材料体系构成pn结(异质隧穿结)，通常为algaas/ingap,且需要高载流子浓度来缩短耗尽区距离，载流子浓度通常高于1e18水准，因此需要较低的生长温度；但同时，隧穿结两边通常还需生长较低载流子浓度的algaas p型层和algaas n型层，而algaas p型层和algaas n型层则需要较高的生长温度；因此，当隧穿结生长结束后立即升温生长algaas n型层时，会造成in原子大量析出，引起隧穿结生长缺陷，造成外延生长缺陷，影响器件(vcsel：垂直腔面发射激光器)性能；所以，制备具有高质量异质隧穿结的外延结构，成为当下多结vcsel发展的重点。
33.在本发明中，inxga(1-x)p，alxga(1-x)as均为三元固溶体，通常外延生长过程中要求与衬底gaas晶格匹配；本发明采用mocvd((metal-organic chemical vapor deposition)在gaas衬底上生长外延层结构。
34.如图1所示，本发明实施例提供一种高质量异质隧穿结外延结构的制备方法，得到高质量异质隧穿结外延结构，可应用于垂直腔面发射激光器的外延层；具体的，高质量异质隧穿结的外延结构的制备方法包括以下步骤：
35.s1，将所选衬底放置于mocvd反应室中；优选的，所述衬底为gaas衬底1；
36.s2，在mocvd反应室中，在gaas衬底1表面外延生长一层缓冲层2；优选的，所述缓冲层2为n型gaas，厚度为0.5nm；
37.s3，在mocvd反应室中生长温度为700℃，生长压力为100mbar条件下，在缓冲层2表面外延生长n型dbr层3(n型分布布拉格反射镜层)；
38.s4，在mocvd反应室中，在n型dbr层3表面依次交替外延生长量子阱4、低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层5、隧穿结6、gaas保护层7、低掺杂n型alxga(1-x)as过渡层8、量子阱4，形成谐振腔；其中，隧穿结6结构包括，依次外延生长于低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层5表面的高掺杂p型alxga(1-x)as层61和n型inxga(1-x)p层62；所述gaas保护层7外延生长于n型inxga(1-x)p层62的表面；示例性的，s4中，按n型dbr层3表面外延生长顺序，依次交替层叠生长重复三次，形成多量子阱与隧穿结交替层叠的谐振腔。
39.s5，在mocvd反应室中，保持生长温度700℃，生长压力维持在100mbar条件下，在最外层量子阱表面外延生长p型dbr层9；
40.s6，在mocvd反应室中，保持生长温度700℃，生长压力维持在100mbar条件下，在p型dbr层9表面生长欧姆接触层10。
41.基于上述实施例，在步骤s3中，所述n型dbr层3由30-40组依次层叠生长在缓冲层表面的al0.9ga0.1as和al0.05ga0.95as形成，且al0.9ga0.1as和al0.05ga0.95as光学厚度均为λ/4。
42.基于上述实施例，进一步的，在步骤s4中，保持mocvd反应室生长温度700℃，生长压力维持在100mbar条件下，在n型dbr层3表面外延生长量子阱4。量子阱4外延生长结束，保持mocvd反应室生长温度和生长压力维持不变，在量子阱4表面外延生长低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层5，其载流子浓度为2e19；优选的，所述低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层5中，0.1≤x≤0.3；示例性的，低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层5可以是低掺杂p型al0.1ga0.9as、低掺杂p型al0.2ga0.8as或者低掺杂p型al0.3ga0.7as。
43.当低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层5生长结束，将mocvd反应室生长温度调整为650℃，生长压力调整为150mbar条件下，以三甲基镓(tmga),三甲基铝(tmal),砷烷(ash3)为生长源，以四溴化碳(cbr4)为p型掺杂源，在低掺杂p型alxga(1-x)as过渡层5表面生长一层高掺杂p型al0.25ga0.75as层61，且高掺杂p型al0.25ga0.75as层61的载流子浓度为1e20,厚度为10nm。由于al原子与ga原子晶格常数相近，因此alxga(1-x)as材料体系与gaas晶格失配很小，x为0.25，因此隧穿结6中p型alxga(1-x)as材料采用al0.25ga0.75as半导体材料。
44.当高掺杂p型al0.25ga0.75as层外延生长结束后，将mocvd反应室生长温度保持在650℃，生长压力维持在150mbar条件下，以三甲基镓(tmga),三甲基铟(tmin),磷烷(ph3)为生长源，以二乙基碲(dete)为n型掺杂源，在高掺杂p型al0.25ga0.75as层表面外延生长n型in0.5ga0.5p层62，所述n型in0.5ga0.5p层62载流子浓度为1e20，厚度为10nm。inxga(1-x)p与gaas晶格匹配时，x为0.5，因此隧穿结中采用n型in0.5ga0.5p半导体材料；为了保证晶格匹配而生长的in0.5ga0.5p，in(铟)组分非常高。
45.同时，由于隧穿结6内n型in0.5ga0.5p层62上表面的低掺杂n型algaas过渡层8，外延生长需要高温低压的条件，而这会造成in原子扩散，为了抑制高温下in的析出而造成的生长缺陷，在mocvd反应室中，保持生长温度650℃，生长压力维持在150mbar，在in0.5ga0.5p层表面生长一层很薄的gaas保护层7，并结合选用大一些的压力(150mbar)可以非常有效的抑制in的析出，减少ingap生长缺陷，攻克了外延生长缺陷，保证垂直腔面发射激光器的发光性能。优选的，所述gaas保护层7厚度为2.5nm，其极薄的厚度对隧穿效应影响很小。
46.当gaas保护层7外延生长结束，在mocvd反应室生长温度为700℃，生长压力为100mbar条件下时，在gaas保护层7表面外延生长低掺杂n型al0.3ga0.7as过渡层；所述低掺杂n型al0.3ga0.7as过渡层8的厚度为16nm,所述低掺杂n型al0.3ga0.7as过渡层8的载流子浓度为2e19。
47.当低掺杂n型al0.3ga0.7as过渡层8外延生长结束后，将mocvd反应室生长温度保持在700℃，生长压力维持在100mbar条件下，在低掺杂n型al0.3ga0.7as过渡层8表面外延生长量子阱4。
48.基于上述实施例，在步骤s5中，当谐振腔内最上层的量子阱4外延生长结束，将mocvd反应室生长温度保持在700℃，生长压力维持在100mbar条件下，在量子阱4表面外延生长p型dbr层9，所述p型dbr层9由20-30组依次层叠生长在谐振腔最外层量子阱4表面的al0.9ga0.1as/al0.05ga0.95as形成。
49.实施例二，如图2所示，由本发明高质量异质隧穿结外延结构的制备方法，获得的外延层结构，通过在异质隧穿结n型ingap层表面低温生长一层超薄gaas保护层7，同时在150mba的压力条件有效限制了后续升温过程中in的析出，保证了隧穿结的生长质量，显著
降低了外延片生长缺陷，提高了器件质量。
50.如图3、图4所示，对含有本实施例中高质量异质隧穿结外延结构vcsel与含有普通隧穿结外延结构vcsel的表面缺陷进行检测，得到对比数据如下；
51.缺陷面积(um)计数表1(样本为普通隧穿结外延结构的vcsel)：
52.分布尺寸下限尺寸上限点数10.0020.00315182》20.00100.00483763》100.00500.00408164》500.003000.00390005》3000.00 2491
53.缺陷面积(um)计数表2(样本为含本技术中高质量异质隧穿结外延结构的vcsel)：
54.分布尺寸下限尺寸上限点数10.0020.001262》20.00100.002653》100.00500.004254》500.003000.0014965》3000.00 1
55.由此，结合图3和图4，vcsel表面particle(粒子)缺陷分布图，可以直观、清楚的看到，含有高质量异质隧穿结外延结构的vcsel，数据分析结论是，其外延片表面缺陷明显改善，缺陷数量明显减少。因此，本技术技术方案有效限制了低掺杂n型al0.3ga0.7as过渡层8生长升温过程中in的析出，攻克了ingap生长缺陷，保证了隧穿结的生长质量，同时有效改善了外延片的生长缺陷，保证了激光器的功率。
56.对于本领域技术人员而言，显然能了解到上述具体事实例只是本发明的优选方案，因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能作出的改进、变动，体现的仍是本发明的原理，实现的仍是本发明的目的，均属于本发明所保护的范围。