一种提高MOCVD生长VCSEL外延膜厚均匀性的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高MOCVD生长VCSEL外延膜厚均匀性的方法，属于半导体材料生长领域，该方法包括：在Ⅴ/Ⅲ比非常高的情况下，当MOCVD生长的VCSEL外圈膜厚大于内圈膜厚时，通过增大流经MOCVD反应腔内喷淋头的进气孔043载气流量，使得内圈的Ⅲ族源浓度提高，从而提高内圈生长速率。当内圈膜厚大于外圈膜厚时，通过减小流经MOCVD反应腔内喷淋头的进气孔043的载气流量，使得外圈的Ⅲ族源浓度提高，从而提高外圈生长速率，通过本发明专利技术提供方法，可以解决外延片内外圈膜厚不均匀问题，提升外延片良率。

A method to improve the thickness uniformity of VCSEL epitaxial film grown by MOCVD

The invention discloses a method for improving the thickness uniformity of VCSEL epitaxial film grown by MOCVD, which belongs to the field of semiconductor material growth. The method comprises the following steps: in the case of very high V / III ratio, when the thickness of VCSEL outer ring film grown by MOCVD is larger than that of inner ring film, the concentration of group III source in inner ring is increased by increasing the carrier gas flow of 043 air inlet flowing through the spray head of MOCVD reaction chamber, so as to Increase the inner ring growth rate. When the inner ring film thickness is greater than the outer ring film thickness, by reducing the carrier gas flow through the inlet 043 of the spray head in the MOCVD reaction chamber, the group III source concentration of the outer ring is increased, so as to improve the growth rate of the outer ring. Through the method provided by the invention, the problem of uneven inner and outer ring film thickness of the epitaxial chip can be solved, and the yield of the epitaxial chip can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种提高MOCVD生长VCSEL外延膜厚均匀性的方法
本专利技术属于半导体材料生长领域，具体涉及MOCVD生长VCSEL外延工艺领域。
技术介绍
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是在垂直于激光器形成在其上的衬底的方向发光的半导体激光器，相比于边发射半导体激光器(FP，DFB等)具有温漂小、低阈值、光纤耦合效率高、易于集成和封装、高速(上升下降在100ps级别)等特性，在光纤通信领域有着广泛应用，随着人工智能的兴起，其在3D传感方面的应用得到了广泛关注。随着下游应用的不断扩展，下游芯片厂商对VCSEL外延提出了大尺寸、高均匀性的要求，在业界，普遍使用MOCVD生长VCSEL外延，MOCVD生长VCSEL结构中通常包含很多对重复的DBR层，DBR层的微小偏差会引起全反射波段的偏移，从而可能导致出光效率的降低，所以，MOCVD生长的膜厚均匀性成为影响大尺寸VCSEL外延良率关键。本专利技术针对具有三层进气孔结构喷淋头的MOCVD，提出了一种在生长过程中，通过调整不同进气孔载气流量来提高外延生长膜厚均匀性的方法，这种方法可以有效提升VCSEL外延厚度的均匀性。
技术实现思路
为了克服VCSEL外延生长膜厚均匀性不佳的问题，本专利技术提供一种能够通过载气流量调节有效提升VCSEL外延膜厚的均匀性的方法。本专利技术是通过以下技术方案来实现：提供一种MOCVD装置，该装置带有反应腔，反应腔内部存在平行的圆形基板02和基板03，所述的基板02和基板03中心重合，基板02的中心区域有一圆柱状喷淋头，喷淋头由靠近所述的基板02的进气孔041、中间的进气孔042和靠近基板03的进气孔043组成，基板03可围绕其底部中心的连接轴06在与基板02平行的平面内360°旋转，在基板03表面与喷淋头在基座03表面的垂直投影区域无交叠的区域，装置有至少一个在与基板03平行的平面内可围绕自己中心360°自转的圆形基板07，基板03外侧存在排气孔05。将基片放在基板07上，并对基板加热，基板07和基板03以一定速度围绕各自中心自转，经由进气孔041通入载气及Ⅴ族氢化物，经由进气孔042通入载气及含有Ⅲ族化合物的气体，经由进气孔043通入载气及Ⅴ族氢化物，Ⅴ族氢化物与Ⅲ族化合物在基片表面水平流过，并在基片表面生成薄膜，未反应的气体及反应副产物经由排气孔05排出。利用MOCVD生长Ⅲ-Ⅴ化合物半导体时，在Ⅴ/Ⅲ较大情况下，圆片不同区域的Ⅲ族源浓度主要决定了该区域的Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜生长速率，Ⅲ族源由喷淋头流出后与Ⅴ族源混合，沿着基片表面流过同时发生反应，在基片表面沉积为Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜，并消耗Ⅲ族源和Ⅴ族源，当增加进气孔043流出的载气流量时，能够在单位时间内将更多的Ⅲ族源由基片表面靠近边沿的区域沿着径向推向中心区域，从而改变径向的浓度分布，使得外圈浓度降低，外圈生长速率下降，内圈浓度升高，内圈生长速率提升；当减小进气孔043流出的载气流量时，能够在单位时间内将更少的Ⅲ族源由基片内靠近边沿的区域沿着径向推向中心区域，从而改变径向的浓度分布，使得外圈浓度升高，外圈生长速率升高，内圈浓度降低，内圈生长速率降低。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：现有的技术方案中，VCSEL外延片内薄膜的均匀性，主要是通过机台腔体结构的设计来实现，尚未见到通过调整载气进气量来实现膜厚均匀性的相关资料，已公开的专利CN201810354036.8是通过在衬底周围设置一结构环来提高片内均匀性，该方法对膜厚的生长均匀性提升效果有限，且实际操作过程中，存在结构环对片子表面污染的风险，同时结构环的使用增加了成本，本专利技术完全不需要增加任何硬件，成本的增加几乎可以忽略，仅需要简单的气体流量设置即可实现对片内均匀性的调整，有着极强可操作性。附图说明图1为本专利技术涉及的装置示意图。图2为本专利技术方法优化前制备的整片VCSEL外延DBR高反射带中心波长分布图。图3为经过本专利技术方法优化制备的整片VCSEL外延DBR高反射带中心波长分布图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。用MOCVD生长Ⅲ-Ⅴ族化合物VCSEL时，在高的Ⅴ/Ⅲ比条件下，Ⅲ族元素浓度是控制薄膜生长的关键因素，基片表面不同区域的Ⅲ族元素浓度主要决定了该区域的生长速率，因此，基片表面Ⅲ族元素浓度分布决定了膜厚均匀性，我们通过调整进气孔043位置的载气流量，可以改变基片径向不同区域的Ⅲ族浓度分布，从而实现对基片表面径向生长速率的调整。使用反应腔如图1所示的MOCVD生长六寸GaAs基VCSEL的n-DBR层Al0.05Ga0.95As/Al0.85Ga0.15As时，将基片加热至620℃，第一步，喷淋头的进气孔041通入流量为8L/min的载气氢气和100sccm砷烷，进气孔043通入流量为14L/min载气氢气和500sccm砷烷，进气孔042通入80sccm携带有TMGa的氢气和20sccm的乙硅烷，同时进气孔042通入18sccm携带有TMAl的氢气，生长10s得到Al0.05Ga0.95As的高折射率层。第二步，喷淋头的进气孔041通入流量为8L/min的载气氢气和100sccm砷烷，进气孔043通入流量为14L/min载气氢气和660sccm砷烷，进气孔042通入14.4sccm携带有TMGa的氢气和20sccm的乙硅烷，同时进气孔042通入375sccm携带有TMAl的氢气，生长10s得到Al0.85Ga0.15As低折射率层。第一步和第二步生长得到的薄膜构成了一对n-DBR层，重复30次上述的第一步和第二步生长过程便完成了具有高反射率的n-DBR的生长。生长结束后测量整片不同位置的反射谱，反射谱高反射带中心波长表征了该区域的DBR相对膜厚，高反射带中心波长越长的区域，膜厚越厚，高反射带中心波长越短的区域，膜厚越薄。生长完成后基片表面不同区域高反射带中心波长测量结果如图2所示，整片的波长std为2.6nm，膜厚均匀性较差，波长分布比较离散，表现为内圈比外圈厚，即靠近内圈的生长速率快于外圈的生长速率。为了优化单片的均匀性，第二次生长时，在上面第一步、第二步其余生长条件均保持不变的条件下，我们将流经进气孔043的载气流量调整为12L/min，生长完成后的测试结果如图3所示，整片的波长std为1.4nm，波长整体分布更加集中，内圈与外圈的膜厚分布更加均匀。以上显示和描述了本专利技术的基本原理和主要特征和本专利技术的优点。本行业的技术人员应该了解，本专利技术不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本专利技术的原理，在不脱离本专利技术精神和范围的前提下，本专利技术还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本专利技术范围内。本专利技术要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高VCSEL外延生长速率均匀性的方法，其特征在于：将基片放在圆形基板(07)上，对基板(07)加热，基板(07)围绕基板(07)的中心在平行于基板(02)的平面内自转，圆形基板(03)围绕基板(03)的中心在平行于基板(02)的平面内自转，经由进气孔(041)通入载气及Ⅴ族氢化物，经由进气孔(042)通入载气及含有Ⅲ族化合物的气体，经由进气孔(043)通入载气及Ⅴ族氢化物，Ⅴ族氢化物与Ⅲ族化合物在基片表面水平流过，并在基片表面生成Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜，未反应的气体及反应副产物经由排气孔(05)排出，增加进气孔043通入的载气流量，外圈生长速率降低，内圈生长速率升高；减小进气孔043通入的载气流量，外圈生长速率升高，内圈生长速率降低。/n

【技术特征摘要】
20190606 CN 20191049021781.一种提高VCSEL外延生长速率均匀性的方法，其特征在于：将基片放在圆形基板(07)上，对基板(07)加热，基板(07)围绕基板(07)的中心在平行于基板(02)的平面内自转，圆形基板(03)围绕基板(03)的中心在平行于基板(02)的平面内自转，经由进气孔(041)通入载气及Ⅴ族氢化物，经由进气孔(042)通入载气及含有Ⅲ族化合物的气体，经由进气孔(043)通入载气及Ⅴ族氢化物，Ⅴ族氢化物与Ⅲ族化合物在基片表面水平流过，并在基片表面生成Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜，未反应的气体及反应副产物经由排气孔(05)排出，增加进气孔043通入的载气流量，外圈生长速率降...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚平，吴旗召，夏天文，
申请(专利权)人：西安唐晶量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61