MOCVD生长AlGaInPInGaAsP大功率808nm无铝量子阱激光器

MOCVD技术的技术特点与优势介绍及在光电薄膜中的应用MOCVD技术在半导体材料和器件及薄膜制备方面取得了巨大的成功。

尽管如此，MOCVD仍是一种发展中的半导体超精细加工技术，MOCVD技术的进一步发展将会给微电子技术和光电子技术带来更广阔的前景。

一、引言近年来，随着半导体工业的发展以及高速光电信息时代的来临，LPE、VPE等技术在半导体业生产中的作用越来越小；MBE与MOCVD技术相比，由于其设备复杂、价格更昂贵，生长速度慢，且不适pC-长含有高蒸汽压元素(如P)的化合物单晶，不宜于工业生产。

而金属有机物化学气相淀积(MOCVD)，1968年由美国洛克威公司的Manasevit等人提出制备化台物单晶薄膜的一项新技术；到80年代初得以实用化。

经过近20年的飞速发展，成为目前半导体化台物材料制备的关键技术之一。

广泛应用于包括半导体器件、光学器件、气敏元件、超导薄膜材料、铁电／铁磁薄膜、高介电材料等多种薄膜材料的制备。

二、MOCVD的主要技术特点国内外所制造的MOCVD设备，大多采用气态源的输送方式，进行薄膜的制备。

气态源MOCVD设备，将MO源以气态的方式输送到反应室，输送管道里输送的是气体，对送入反应室的MO源流量也以控制气体流量来进行控制。

因此，它对MO源先体提出应具备蒸气压高、热稳定性佳的要求。

用气态源MOCVD法沉积一些功能金属氧化物薄膜，要求所选用的金属有机物应在高的蒸气压下具有高的分子稳定性，以避免输送过程中的分解。

然而，由于一些功能金属氧化物的组分复杂，元素难以合成出气态MO源和有较高蒸气压的液态MO源物质，而蒸气压低、热稳定性差的MO源先体，不可能通过鼓泡器(bubbler)由载气气体输运到反应室。

然而采用液态源输送的方法，是目前国内外研究的重要方向。

采用将液态源送入汽化室得到气态源物质，再经过流量控制送入反应室，或者直接向反应室注入液态先体，在反应室内汽化、沉积。

这种方式的优点是简化了源输送方式，对源材料的要求降低，便于实现多。

第20卷第8期半　导　体　学　报V o l.20,N o.8　1999年8月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S A ug.,1999 808nm大功率量子阱激光器无吸收腔面镀膜的研究李秉臣　彭　晔　廖显伯(中国科学院半导体研究所　北京　100083)摘要　用电子束反应蒸发法制备的a2Si∶H膜和A l2O3膜组成的a2Si∶H A l2O3膜系,解决了a2 Si A l2O3膜系在808nm波长有较强光吸收问题,吸收系数从2×103c m-1降低到可以忽略的程度.a2Si∶H膜的光学带隙为1174eV左右.应用到808nm大功率量子阱激光器腔面镀膜上,其器件光电性能获得较大改善.PACC:7865;　EEACC:4190F1　引言大功率量子阱激光器是包含高载流子密度、高电流密度和高光子密度的一种光电器件,降低阈值电流密度和提高量子效率是增大激光器输出功率的关键.腔面镀膜可以起到保护腔面、防止氧化、提高可靠性的作用,也可以改善激光器光电性能.譬如,利用高反射膜可以降低阈值电流I th、提高器件的量子效率,而应用增透膜可以提高量子效率和电2光转换效率,小范围的波长调整等作用.808nm大功率量子阱激光器腔面镀膜,通常采用以Si为高折射率材料,A l2O3为低折射率的材料组合的Si A l2O3[1]膜系.在实验中,我们发现Si A l2O3膜系作为高反膜,在808nm波长附近Si膜仍有较强吸收,腔面镀高反膜(HR)后,激光器光电性能变坏,而不象文献[1]中所说的那样,Si膜厚度在60nm时总吸收可以忽略.因此为了解决这个问题,开展了H2气氛电子束反应蒸发Si膜的实验研究工作.2　实验及原理本项研究工作使用BAL ZER S公司生产的BA K600箱式光学镀膜系统.CR YO PUM P 抽真空,既保持了真空室的清洁度,又有较快地使真空度达到1×10-7～2×10-7m bar的水李秉臣　男,1941年出生,高级工程师,从事半导体光电子器件工艺及其薄膜技术研究彭　晔　女,1970年出生,助理工程师,从事半导体光电子器件工艺及其薄膜技术研究廖显伯　男,1940年出生,研究员,从事非晶硅亚稳特性及非晶微晶硅太阳能电池研究1998204210收到,1998209203定稿平.采用硼硅酸盐玻璃(CG W 7740)作衬底,经用H 2SO 4∶H 2O =5∶1溶液煮沸后,去离子水冲洗.再用HC l ∶H 2O =5∶1煮沸,去离子水冲洗,最后用干N 2气吹干备用.样品制备之一是Si 膜的电子束蒸发,在加温到250℃,真空度<1×10-6m bar 的条件下,电子束蒸发Si ,蒸发速率为013nm s .a 2Si 膜的厚度为500～600nm ,折射率n =3～3.2(633nm )之间.样品制备之二是加热并恒温在250℃时,预真空度<1×10-6m bar ,加入H 2气降为4×10-4m bar ,然后电子束反应蒸发Si ,形成a 2Si ∶H 膜,蒸发速率为013nm s ,膜厚同样为500～600nm 左右(图1).用CA R Y 25E 型分光光度计分别测量a 2Si 膜和a 2Si ∶H 膜的透射谱线,根据薄膜光学公式T =A (1-R 23)(1-R 21)e -Αd1+R 23R 21e -2Αd -2R 231 2R 1 221e -Αdco s (4Πn 2d Κ)(1)式中　T 为透射率;A 为考虑衬底影响的因素的系数;R ij 为组成界面ij 的正入射反射率,R ij =(n i -n j )2(n i +n j )2(2)d 、n 2和Α分别表示a 2Si 或a 2Si ∶H 膜的厚度、折射率和吸收系数.图1　透射谱测量示意图从(1)式可以看出,在一定的条件下会发生干涉现象.当2n 2d =m Κ时,透射率最大(T m ax ),当2n 2d =(m +1 2)Κ时,透射率最小(T m in ).如果干涉发生在透明区,即Αd ≈0,此时有T m ax -T m in =4R 21R 23(1-R 21)(1-R 23)(1-R 21R 23)2(3)从(3)和(2)式可以求出n 2,再根据干涉条件求出膜厚d ,将这些数值代入(1)式中,求解出Α,便可得知薄膜的吸收系数.再根据间接带隙材料在带边附近Α与h Μ的关系式,即T auc 公式(Αh Μ)1 2=B (h Μ-E 0)(4)将(Αh Μ)1 2对h Μ作T auc 图,则所得直线段与横轴的截距就是a 2Si 或a 2Si ∶H 的光学带隙E 0.3　实验结果和讨论311　a -Si 和a -Si ∶H 的吸收系数与波长之间的关系我们分别测量了a 2Si 和a 2Si ∶H 这两种膜的透射能谱曲线,然后用计算机程序块作出a 2Si 和a 2Si ∶H 两种薄膜的吸收系数与波长之间的关系图,如图2所示.从图2我们注意到a 2Si 膜在808nm 波长附近,吸收系数为2×103～3×103c m .而a 2Si ∶H 膜与a 2Si 膜相比较有较明显的蓝移,在808nm 波长附近,吸收系数降低到可以忽略的程度,成为真正的无吸收高折射率材料,并与薄膜的厚度无关.312　a -Si 和a -Si ∶H 的Tauc 关系从T auc 图3我们可以看到,a 2Si 膜光学带隙为11675eV 左右,a 2Si ∶H 膜光学带隙为1174eV 左右.从上面的结果我们可以解释吸收曲线蓝移(向短波长方向移动)的原因是由于Si —H 键比Si —Si 键键合更强,而且a 2Si ∶H 膜的光学带隙也比a 2Si 膜光学带隙宽.而这一9968期李秉臣等:　808nm 大功率量子阱激光器无吸收腔面镀膜的研究结果正是我们所希望的.另外从图3中我们可以看到a 2Si 膜能谱曲线上有一个小丘,说明薄膜有缺陷.而a 2Si ∶H 膜能谱曲线比较平滑,说明加入H 2后反应蒸发形成的a 2Si ∶H 膜缺陷减少,薄膜质量变好.图2　a 2Si 和a 2Si ∶H 吸收系数Α与波长的关系 图3　a 2Si 和a 2Si ∶H 的T auc 关系曲线313　a -Si A l 2O 3膜系与a -Si ∶H A l 2O 3膜系分别应用到808nm 激光器腔面镀膜的比较为了进行a 2Si A l 2O 3膜系与a 2Si ∶H A l 2O 3膜系的比较,将这两种膜系分别应用到808nm 大功率量子阱激光器腔面镀膜上,并作了两个腔面未镀膜;一个腔面只镀高反膜(HR ),另一个腔面不镀膜;以及两个腔面各镀高反膜和增透膜(HR +A R )三种情况.用常规的Κ 4极值法监控a 2Si A l 2O 3与a 2Si ∶HA l 2O 3膜系的光学厚度,高反膜采用4(L H )八层,经分光光度计测量,透射率一般为2%～3%.其三种情况结果如表1和表2所示:表1　a -Si A l 2O 3膜系应用到808nm 激光器腔面镀膜前后性能测试结果典型值未镀膜HR HR +A R 输出功率P 0 W 0.210.10.11阈值电流I th A 0.140.20.16工作电流I f A 0.520.500.44工作电压V f V1.911.921.88量子效率E s(W ・A -1)0.520.290.31电光转换效率E p %21.110.512.7串联电阻R d 80.520.490.53波长Κ nm 813.7805.4806.7表2　a -Si ∶H A l 2O 3膜系应用到808nm 激光器腔面镀膜前后性能测试结果典型值未镀膜HR HR +A R 输出功率P 0 W0.520.511.01阈值电流I th A 0.240.170.26工作电流I f A 1.160.841.20工作电压V f V2.141.982.11量子效率E s(W ・A -1)0.550.741.00电光转换效率E p %20.930.640.00串联电阻R d 80.410.410.38波长Κ nm810.4810809.4 从表1a 2Si A l 2O 3膜系和表2a 2Si ∶H A l 2O 3膜系应用到808nm 大功率激光器腔面镀膜后的测试结果来看,a 2Si A l 2O 3膜系有明显吸收,导致I th 增加,E s 降低,E p 降低.而a 2Si ∶H A l 2O 3膜系,当只有一个腔面镀高反膜时,其结果是I th 降低,E s 增加,E p 增加.当两个腔面分别镀高反膜和增透膜时,E s 增加,E p 增加,I th 略有增加,而E s 从0155(W ・A -1)增加到1100(W ・A -1),E p 从2019%增加到40100%,其绝对值增加近一倍左右.07半　导　体　学　报20卷参考文献[1]　M ichael E ttenberg ,A pp l.Phys .L ett .,1978,32(11):724～725.[2]　H irok i N aito ,M asah iro kum e ,Ken H am ada et a l .,IEEE J .Q uantum E lectron .,1991,27(6):1550～1553.[3]　J .Stone and L .W .Stulz ,A pp l .Op t .,1990,29(4):583～588.New D ielectr ic Facet Ref lector for H igh Power808nm Quan tu m W ell La serL i B ingchen ,Peng Ye ,L iao X ianbo(Institu te of S e m icond uctors ,T he Ch inese A cad e my of S ciences ,B eij ing 100083)R eceived 10A p ril 1998,revisced m anuscri p t received 3Sep tem ber 1998Abstract H ydrogenated am o rp hou s silicon (a 2Si ∶H )w ith an op tical bandgap of 1.74eV ,depo sited by electron beam reactive evapo rati on in H 2atm o sp here has been u sed in com b i 2nati on w ith A l 2O 3fil m as the facet reflecto r fo r h igh pow er 808nm quan tum w ell laser .In com p arison w ith u sual fil m stack of a 2Si and A l 2O 3show n strong op tical ab so rp ti on at w avelength of 808nm ,the op tical ab so rp ti on coefficien t of the new fil m system has beensign ifican tly low ered from 2×103c m to a negligib le level.T he op toelectron ic p rop erties of the device have been h igh ly i m p roved as the fil m system is app lied to the facet .PACC :7865;　EEACC :4190F1078期李秉臣等:　808nm 大功率量子阱激光器无吸收腔面镀膜的研究。

MOCVD外延生长技术简介摘要：MOCVD外延技术是国内目前刚起步的技术，本文主要介绍外延的基本原理以及目前世界上主要外延生产系统的设计原理及基本构造。

外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有红宝石和SiC两种）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。

目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。

MOCVD金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD），1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。

该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。

第一章外延在光电产业角色近十几年来为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。

而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管ＬＥＤ及激光二级管ＬＤ的应用无不说明了Ⅲ－Ⅴ族元素所蕴藏的潜能，表１－１为目前商品化ＬＥＤ之材料及其外延技术，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延成长法成长磷砷化镓ＧａＡｓＰ材料为主。

ＭＯＣＶＤ机台是众多机台中最常被使用来制造ＬＥＤ之机台。

而ＬＥＤ或是ＬＤ亮度及特性的好坏主要是在于其发光层品质及材料的好坏，发光层主要的组成不外乎是单层的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ或是多层的量子井ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ，而尽管制造ＬＥＤ的技术一直在进步但其发光层ＭＱＷ的品质并没有成正比成长，其原是发光层中铟Ｉｎｄｉｕｍ的高挥发性和氨ＮＨ３的热裂解效率低是ＭＯＣＶＤ机台所难于克服的难题，氨气ＮＨ３与铟Ｉｎｄｉｕｍ的裂解须要很高的裂解温度和极佳的方向性才能顺利的沉积在ＩｎＧａＮ的表面。