inp基光电器件的外延工艺优化与材料生长-光子学报.pdf

第37 卷 增刊 光 子 学 报 Vol.37 Sup.2 2008 年12 月 ACTA PHOTONICA SINICA December 2008 InP 基光电器件的外延工艺优化与材料生长* 钟树泉，黄永清，王琦，黄辉，宋海兰，蔡世伟，任晓敏 (北京邮电大学 光通信与光波导教育部重点实验室，北京 100876) 摘 要：改变反应器操作压力、生长温度、基座转速等几个重要的工艺参数，计算了其内部均匀稳 定热流场的形态条件；并提取各参数进行优化计算，得到了MOCVD反应器内部较佳的输运机制. 然 后利用超薄低温InP缓冲层技术，在半绝缘GaAs衬底上成功地制备出了长波长异变In0.53Ga0.47As PIN 光电探测器，器件的台面面积为50 μm×50 μm ，In0.53Ga0.47As吸收层厚度为300 nm，在3 V反偏压下 器件的3 dB带宽达到了6 GHz ，在1 550 nm波长处器件的响应度达到了0.12 A/W ，对应的外量子效 率为9.6%. 关键词：异质外延; 应变层超晶格; 光探测器; MOCVD输运过程 中图分类号：TN304 文献标识码：A 寸为基座半径 R=70 mm ，尾气流道的宽度D 为 12 0 引言 mm ，顶部Showerhead 与基座的距离(反应器的高度)h 第二代化合物半导体 InP 和GaAs ，是两类极为 为 10 mm ，腔体高度 H 为 300 mm. 其顶部为 重要的Ⅲ- Ⅴ族化合物半导体材料. 如能把GaAs 的衬 Showerhead 气体分布器，是开有很多小孔的一块平 底优点与InP 基器件的优势结合在一起，实现新型光 板，可被冷却水控温在50~60 ℃. 基座(Susceptor)是 电子集成(OEIC)器件[1-2] ，首先需要严格精确地控制 由石墨材料制成，衬底可放置在基座上的凹槽中；基 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)的 座具有加热功能，可使衬底升温至 1000 ℃；在材料 生长条件. 1 生长的时候，基座连同其上的衬底是旋转的，转速为 MOCVD 是由美国的H. M. Manasevit 等，于1968 0~800 rpm. 反应器的内外侧壁皆为石英管，外侧壁 年首先提出的一种制备化合物半导体材料的技术. 的石英管用冷却水制冷，以保证其温度接近室温. 国外科研人员自20 世纪80 年代以来，利用水力学实 [3-6] [7-10] 验、光学测量 和数值计算 等方法，对MOCVD 反应器内部极端复杂的输运过程进行了大量的研究， 取得了许多有价值的成果，为外延材料的高均匀性与 可重复性提供了较为有效的解决方案. 本文通过改变进气压强、衬底温度、基座旋转等 条件，对 THOMAS SWAN 公司居于国际领先的 TSSEL 3×2″ CCS InP LP-MOCVD 设备的输运过程， 进行了数值计算，得出了反应器中热流场的分布规 律；并提取各工艺参数进行优化计算，得到了反应器 图1 垂直式MOCVD 反应器 Fig.1 Schematic of vertical MOCVD reactor 内部较佳的外延生长条件. 在此基础上，利用超薄低 1.2 数学物理模型 温InP 缓冲层方案，在半绝缘GaAs 衬底上成功制备