一種半導(dǎo)體激光器Zn雜質(zhì)源擴(kuò)散的裝置及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種半導(dǎo)體激光器Zn雜質(zhì)源擴(kuò)散的裝置及其應(yīng)用，屬于半導(dǎo)體工藝的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在光通信、數(shù)據(jù)存儲、DVD/V⑶和條形碼閱讀器、激光打印、激光顯示、氣體監(jiān)測和醫(yī)療器械等領(lǐng)域，激光器(LD)有著廣泛的應(yīng)用，其中650nm激光器主要應(yīng)用于光學(xué)存儲系統(tǒng)，用于制造DVD、DVD-R/RW的激光頭。對于DVD-R/RW，刻錄速度正比于LD輸出功率的平方，要得到快的刻錄速度，必需提高LD的輸出功率，而最大輸出功率受到激光器端面的光學(xué)災(zāi)難(COD)的限制。應(yīng)用領(lǐng)域的拓展不斷對激光器輸出功率提出更高的要求，這需要進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)激光器的材料選擇、器件結(jié)構(gòu)和制作工藝來提高激光器的光災(zāi)變損傷(COD)功率水平。利用選擇性Zn擴(kuò)散技術(shù)，在LD腔面的部分區(qū)域進(jìn)行Zn擴(kuò)散，使LD端面部分帶隙變大，形成對出射光不吸收的透明區(qū)域(即窗口結(jié)構(gòu))，可以避免激光器端面的C0D，大大提高LD的功率。
[0003]擴(kuò)散枝術(shù)在半導(dǎo)體器件制備中己有廣泛的應(yīng)用。它不僅在普通半導(dǎo)體器件的研制中，而幾乎在變?nèi)莨?、半?dǎo)體光電器件及太陽能電池的制備中，都有重要意義。Zn擴(kuò)散是制作半導(dǎo)體激光器器件的重要工藝之一。作為一種摻雜手段，它與離子注入法和二次外延相比，具有工藝簡單，引入的晶格損傷小，成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于Zn擴(kuò)散的對象往往是外延生長的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，層與層之間常具有不同的摻雜類型和雜質(zhì)分布。因此，為了使這種精細(xì)的結(jié)構(gòu)不被破壞，要求Zn擴(kuò)散溫度盡可能低，時(shí)間盡可能短。傳統(tǒng)雜質(zhì)源擴(kuò)散方法有外延爐擴(kuò)散、閉管擴(kuò)散法和開管擴(kuò)散法。
[0004]中國專利CN1065158公開一種高壓晶閘管制造方法及裝置。本發(fā)明屬于電力半導(dǎo)體器件——晶閘管生產(chǎn)中的一種雙質(zhì)摻雜方法及擴(kuò)散系統(tǒng)裝置。本發(fā)明為鋁乳膠源涂布與氣相鎵雜質(zhì)相結(jié)合的一種分步擴(kuò)散法，它是先在N型硅片上均勻涂布二氧化硅鋁乳膠源進(jìn)行鋁擴(kuò)散，然后擴(kuò)鋁硅片經(jīng)單面拋光、熱氧化、開管擴(kuò)鎵，最后完成鋁鎵再分布。擴(kuò)散裝置的石英管短，無內(nèi)擴(kuò)散管，只用一個(gè)磨口。該專利所述方法擴(kuò)散雜質(zhì)源與硅片放在同一爐管內(nèi)距離較近且爐管較短，擴(kuò)散源與擴(kuò)散芯片不能單獨(dú)控溫，冷卻時(shí)極易在芯片表面和爐口出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，造成擴(kuò)散后表面不光滑和擴(kuò)散源擴(kuò)散深度不足問題。
[0005]中國專利CN103151248A公開了一種光電探測器制作中鋅的擴(kuò)散裝置及其擴(kuò)散方法，該裝置包括加熱爐、兩端封閉的石英管、氣體控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、用以容置擴(kuò)散源及待擴(kuò)散的外延片的石英舟以及用以推送該石英舟進(jìn)入石英管的真空推進(jìn)裝置，該石英管一端位于加熱爐爐膛中，為恒溫區(qū)，另一端位于加熱爐爐膛外，為冷卻區(qū)，并處于室溫狀態(tài)，該氣體控制系統(tǒng)可向石英管內(nèi)充入氮?dú)?，該真空系統(tǒng)通過真空管道可對石英管抽真空。本發(fā)明方法中擴(kuò)散源與芯片放在一同一爐管內(nèi)距離較近，無法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散源與擴(kuò)散芯片單獨(dú)控溫，擴(kuò)散后冷卻時(shí)極易在芯片表面出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，造成擴(kuò)散后表面不光滑，石英管另一端位于加熱爐爐膛外并沒有隔離，擴(kuò)散源極易在爐口冷凝，造成擴(kuò)散源不足而導(dǎo)致擴(kuò)散深度不足。
[0006]中國專利CN101950775A記載的《一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法》采用MOCVD外延設(shè)備的雙擴(kuò)散法控制擴(kuò)散源流量，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同濃度的漸變式摻雜，在擴(kuò)散中形成突變結(jié)進(jìn)行摻雜，這種方法成本比較高且存在工藝不容易控制的缺點(diǎn)。
[0007]閉管擴(kuò)散法，如1988年河北工學(xué)院第4期學(xué)報(bào)中《Zn在GaAs中擴(kuò)散的研究》中提到方法:將Zn擴(kuò)散源和激光器芯片放入特制的石英管內(nèi)，抽成高真空后，用氫氧焰進(jìn)行燒結(jié)密封。擴(kuò)散時(shí)，將激光器與擴(kuò)散源分別置于石英管的兩端，再將石英管放入擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)Zn，擴(kuò)完后取出石英管，打碎石英管取出激光器芯片，這種方法擴(kuò)散中容易在激光器芯片表面條形窗口出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，擴(kuò)Zn后表面不光滑，操作比較麻煩且不安全。
[0008]開管擴(kuò)散法，如1976年中山大學(xué)第4期學(xué)報(bào)《開管(Zn)擴(kuò)散平面型GaASl_xP發(fā)光器件》中提到是將Zn擴(kuò)散源放入特制容器內(nèi)，在高溫不密封的情況下進(jìn)行擴(kuò)Zn，由于Zn元素活潑，在高溫下極易氧化，容易在襯底上沉積Zn的氧化膜。
[0009]總結(jié)目前已有的常規(guī)Zn擴(kuò)散方法，具有以下不足:工藝重復(fù)性差；擴(kuò)散中容易在激光器芯片表面條形窗口和爐口處出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象JfZn后表面不光滑；Zn元素活潑，在高溫下極易氧化阻止擴(kuò)散的進(jìn)一步進(jìn)行，這些不足對器件的制作是十分不利的，甚至完全可能破壞外延片的四層結(jié)構(gòu)不能滿足制作結(jié)構(gòu)較復(fù)雜和對結(jié)深等參數(shù)要求較高的器件的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體激光器Zn雜質(zhì)源擴(kuò)散的裝置。
[0011]本發(fā)明還提供一種上述裝置的應(yīng)用。本發(fā)明所述的裝置及應(yīng)用，具體是一種雙溫區(qū)擴(kuò)散裝置和方法，可得到表面光亮，Zn濃度分布均勻，重復(fù)性好，高濃度無損傷的表面層，確保半導(dǎo)體激光器的器件工藝和性能。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0013]一種半導(dǎo)體激光器Zn雜質(zhì)源擴(kuò)散的裝置，包括在軌道上順次設(shè)置的第一擴(kuò)散加熱爐和第二擴(kuò)散加熱爐；所述第一擴(kuò)散加熱爐為一端封閉的槽形，所述第二擴(kuò)散加熱爐呈中空環(huán)形；在所述軌道的一端，且在第二擴(kuò)散加熱爐的后方設(shè)置有支架，在所述支架上安裝有一端封閉、一端開口設(shè)置的石英管，在所述石英管的側(cè)壁上貫通設(shè)置有供充氮?dú)庥玫耐夤?，在所述通氣管上設(shè)置有N2閥門；在所述石英管的開口端安裝有一個(gè)環(huán)形密封石英管，所述密封石英管通過石英管密封蓋密封設(shè)置在所述石英管的開口端；在所述石英管內(nèi)、縱向順次設(shè)置有第一熱電偶和第二熱電偶，石英舟的前半部設(shè)置在第一熱電偶上，石英舟的后半部設(shè)置在第二熱電偶上；在所述石英管內(nèi)還設(shè)置有抽真空管，所述抽真空管貫穿石英管密封蓋與機(jī)械泵相連，在所述抽真空管設(shè)置有真空計(jì)和閥門。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述石英管包括細(xì)端部分和粗端部分，所述細(xì)端部分設(shè)置在所述石英管的封閉端，所述粗端部分設(shè)置在所述石英管的開口端；所述第一熱電偶設(shè)置在細(xì)端部分，所述第二熱電偶設(shè)置在粗端部分。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述第一擴(kuò)散加熱爐、第二擴(kuò)散加熱爐、第一熱電偶和第二熱電偶分別由溫控儀a、溫控儀b、溫控儀c和溫控儀d進(jìn)行控溫。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述石英管的開口端設(shè)置有冷卻水管，所述冷卻水管包括冷卻水出水口和冷卻水入水口。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述石英舟的前半部上設(shè)置有源槽，所述石英舟的尾端上設(shè)置有孔。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述軌道的一端，且在所述第一擴(kuò)散加熱爐的前方設(shè)置有第一限位器；在所述軌道的另一端，且在所述石英管的下方設(shè)置有第二限位器。
[0019]本發(fā)明所述的裝置采用擴(kuò)散源與芯片分開并采用雙溫區(qū)控制擴(kuò)散源和芯片的溫度，擴(kuò)散過程中分別控制以確保爐溫的穩(wěn)定；用氮?dú)獯祾呤⒐芎捅Ｗo(hù)擴(kuò)散氛圍；用可活動(dòng)的特制密封石英管在開口石英管內(nèi)部隔離端口溫度低的區(qū)域，在放置放有擴(kuò)散源Zn和激光器芯片的石英舟時(shí)，先取出特制的密封石英管，放進(jìn)去石英舟后，再將特制密封石英管推進(jìn)開口石英管內(nèi)部，起到隔離的效果；閉管高真空擴(kuò)散；擴(kuò)散源放在所述石英管的細(xì)端部分，擴(kuò)散源Zn通過與石英管的細(xì)端部分多次碰撞擊碎分解的大顆粒汽相物質(zhì)，利用以上方法既能避免擴(kuò)散中在激光器芯片表面條形窗口和爐口處出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象和高溫下Zn氧化阻止擴(kuò)散的進(jìn)行，又能防止激光器芯片表層GaAs在擴(kuò)散溫度下大量地分解，得到表面光亮，Zn濃度分布均勻，重復(fù)性好，無損傷的高濃度表面層的特點(diǎn)。
[0020]一種上述半導(dǎo)體激光器Zn雜質(zhì)源擴(kuò)散的裝置的應(yīng)用，步驟如下:
[0021](I)打開所述裝置的總電源并打開溫控儀al和溫控儀b2加熱，將第一擴(kuò)散加熱爐6和擴(kuò)第二散加熱爐7沿軌道5推到遠(yuǎn)離石英管9 一端，加熱并恒溫到擴(kuò)散源和激光器芯片擴(kuò)散所需設(shè)定溫度；采用雙溫區(qū)控制擴(kuò)散源和芯片的溫度，擴(kuò)散過程中分別控制以確保爐溫的穩(wěn)定，可防止激光器芯片表層GaAs在擴(kuò)散溫度下大量地分解；
[0022](2)先將稱量好的Zn擴(kuò)散源放入石英舟8的源槽21內(nèi)，并將激光器芯片按工藝要求距離放在源槽21與孔22之間，將石英舟8推入石英管9，使得石英舟的前半部設(shè)置在第一熱電偶上，石英舟的后半部設(shè)置在第二熱電偶上；
[0023](3)再將密封石英管10放進(jìn)石英管9的開口端內(nèi)，打開N2閥門18，向石英管通入氮?dú)廒s凈石英管內(nèi)空氣；這樣可避免高溫下Zn氧化阻止擴(kuò)散的進(jìn)行；
[0024](4)再用石英管密封蓋12將石英管9封好，關(guān)閉N2閥門18，打開冷卻水進(jìn)水口 17和冷卻水出水口 11，打開閥門19和機(jī)械泵20，通過觀察真空計(jì)16將石英管9內(nèi)真空抽到工藝要求真空，關(guān)閉閥門19;
[0025](5)將第一擴(kuò)散加熱爐6和第二擴(kuò)散加熱爐7沿軌道5推到石英管9處，給石英管9加熱到擴(kuò)散所需溫度，開始擴(kuò)Zn ；
[0026](6)擴(kuò)散完成后,先將第一擴(kuò)散加熱爐6拉出；石英管9的細(xì)端部分溫度降低,所述石英管內(nèi)的Zn金屬蒸汽在溫度低的地方冷凝，避免擴(kuò)散中在激光器芯片表面條形窗口和爐口處出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，
[0027](7)再把第二擴(kuò)散加熱爐7拉出，石英管9自然降溫到常溫，充入氮?dú)?，取出擴(kuò)散好的激光器芯片；
[0028](8)把石英管9抽成真空，關(guān)閉閥門和總電源，Zn雜質(zhì)源擴(kuò)散完成。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0030]1.本發(fā)明采用擴(kuò)散源與芯片分開，擴(kuò)散源放在細(xì)頸通道內(nèi)，一方面擴(kuò)散源分解的大顆粒汽相物質(zhì)與細(xì)頸通道的多次碰撞可被擊碎，另一方面為單獨(dú)控制擴(kuò)散源和芯片的溫度提供條件。
[0031]2.本發(fā)明采用雙溫區(qū)控制擴(kuò)散源和芯片的溫度，擴(kuò)散過程中分別控制以確保爐溫的穩(wěn)定，防止激光器芯片表層GaAs在擴(kuò)散溫度下大量地分解,擴(kuò)散完成后先冷卻擴(kuò)散源，再冷卻激光器芯片，避免擴(kuò)散源蒸汽擴(kuò)散中在激光器芯片表面條形窗口凝聚現(xiàn)象。
[0032]3.本發(fā)明用氮?dú)獯祾呤⒐芎捅Ｗo(hù)擴(kuò)散氛圍，閉管高真空擴(kuò)散，避免了高溫下Zn源氧化阻止擴(kuò)散的進(jìn)行。
[0033]4.本發(fā)明用