專利名稱：激光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光二極管，特別涉及一種半導(dǎo)體激光二極管。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光二極管一般來說是人們所公知的并多有記述，例如在Sze的“半導(dǎo)體器件物理學”(“Physics of Semiconductor De-vices”)第二版第12章第681-742頁(1981)中即有描述。目前，大部分市場可買到的激光二極管都是由III-V族化合物半導(dǎo)體和它們的合金如GaAs和AlGaAs制造的。這些裝置發(fā)射的光處于光譜中紅外和紅的部分，例如，波長在630nm和1550nm之間。這種類型的激光二極管廣泛用于例如通訊、記錄、傳感和圖象系統(tǒng)。
但是，有許多應(yīng)用場合，紅外和經(jīng)激光二極管產(chǎn)生的光的波長是不適合的。商業(yè)上可行的能發(fā)射更短波長的輻射、例如在光譜中綠和蘭的部分(即波長在590-430nm之間)的激光二極管將具有更為廣泛的應(yīng)用。較短波長的激光二極管也將會增加目前使用紅外和紅激光二極管的許多系統(tǒng)的性能和能力。
寬帶隙II-VI半導(dǎo)體和合金，特別是ZnSe多年來被稱為用來制造蘭和綠光發(fā)射器件的較佳材料，在60年代，利用電子束激勵技術(shù)在若干種II-VI半導(dǎo)體中產(chǎn)生激光已得到驗證。在Colak等人著的《電子束激勵的II-VI激光器》晶體生長雜志72，504(1980)(Electron Beam Pumed II-VI)Lasers，J.Grystal Growth 72，504(1985)〕中包括該項工作的綜述。近來出現(xiàn)了更多的利用外延II-VI半導(dǎo)體材料的光激勵和電子束激勵的激光實驗。例如參見Dott等人著的《在利用分子束外延生長ZnSe中的電子束激勵產(chǎn)生激光》應(yīng)用物理通訊，50，7(1987)(Electron Beam Pumped LasingIn ZnSe Crown By Molecular-Beam Epitaxy，Appl Phys Lett.50，7(1987))和Ding等人著的《光激勵(Zn，Dd)Se/ZnSe單一量子阱結(jié)構(gòu)的蘭-綠激光作用》應(yīng)用物理通訊57，第2756頁(1990)(Laser Action In The Blue-Green From Optically Pumped(ZnCd)Se/ZnSe Single Quantum W ell Structures，Appl.Phys-Lett.57，p.2756(1990))。由于在寬帶隙II-VI半導(dǎo)體方面研究的進展，遇到了幾個關(guān)鍵性的技術(shù)難題。這些難題包括1)。難以產(chǎn)生低電阻率P型ZnSe及有關(guān)合金；2)難以形成器件質(zhì)量所要求的對P型ZnSe及相關(guān)合金的歐姆接觸，3)缺乏合適的晶格匹配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料系統(tǒng)。
現(xiàn)代外延生長技術(shù)如分子束外延法(MBE)和有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)法目前被用來在典型的GaAs襯底上制造器件質(zhì)量所要求的非摻雜的和N型ZnSe層。利用Li和N(NH3)作為摻雜劑生長低電阻率P型ZnSe也已經(jīng)被報導(dǎo)。在有些情況下，可獲得的凈受主濃度(NA-ND)的上限大約為1017cm-3。但是近來，在利用由射頻等離子源產(chǎn)生的氮自由基利用MBE生長的ZnSeN中取得了明顯較大的受主濃度。參見Park等人著的《在分子束外延生長過程中利用氮原子束摻雜產(chǎn)生P型ZnSe》(P-type ZnSe ByNitrogen Atom Beam Doping During Molecular Beam EpitaxialGrowth，Appl.Phys.Lett.57，2127(1990))。利用這些技術(shù)在ZnSe中取得的最大凈受主濃度為2×1018cm-3。利用這些技術(shù)，初步的蘭發(fā)光二極管已經(jīng)被幾個實驗室所報導(dǎo)，參見Park等人在應(yīng)用物理通訊中有關(guān)上述文章。
在研究得很成熟的寬帶隙II-VI半導(dǎo)體系統(tǒng)，即ZnSeTeCdZnSe，ZnSSe和CdZnS，中只有CdZnS-ZnSe提供晶格匹配系統(tǒng)。不幸的是，該系統(tǒng)只提供了很小的帶隙差(大約0.05eV)，而這對于簡單的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光二極管所需的載流子約束來說是太小了。因此，要想取得大于0.2eV的帶隙差，就有必要利用應(yīng)變層系統(tǒng)(例如ZnSe-CdxZni-xSe，x＞0.2)。為了防止降低發(fā)光效率的不匹配位錯，應(yīng)變層應(yīng)保持小于臨界厚度。但是相應(yīng)制作的簡單雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器將具有一個如此薄的激活層(由于足夠帶隙差所需的較大的失配)以至光學模約束較差。因此，約束系數(shù)(光學模和光產(chǎn)生區(qū)之間的重疊)將會很小，而襯底損失會很高，引起過高的閥值電流。因此，簡單雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光二極管在這些寬帶隙II-VI材料中是行不通的。
由于以上原因，還沒有發(fā)現(xiàn)用II-VI族化合物半導(dǎo)體制造的激光二極管的例證。這類商業(yè)上可行的二極管是人們所特別期望的并具廣泛的應(yīng)用。
由于這些器件具有廣泛的重要的應(yīng)用，對這些材料已投入了大量的研究開發(fā)。發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)商業(yè)上可行的II-VI器件的許多主要障礙是該項工作的結(jié)果。事實上，盡管有所有這些研究，由外延II-VI半導(dǎo)體(ZnSe)制造初步的蘭發(fā)光二極管(LEDS)是僅僅在1988年報道的，參見Yasuda等人在《應(yīng)用物理通訊》52，57(1988)中的文章。還沒有出現(xiàn)用這些材料制造激光二極管的報道。
一個較大的問題是難以獲得P型摻雜ZnSe或其它適當II-VI半導(dǎo)體材料使其達到足夠的凈受主濃度。最近在該領(lǐng)域取得了進展。參見Park等人著的《在分子束外延法生長過程中由N原子束摻雜法形成P型ZnSe》應(yīng)用物理通訊57卷，2127頁(1990)(P-type ZnSe By Nitroen Atom beam Doping During Molecular BeamEpitaxial Growth，Appl.Phys.Lett.Vol.57，p 2127(1990))。
另外一個在II-VI技術(shù)的最近進展是在低溫下利用分子束外延法和一個為VI族元素的熱裂化源生長外延膜，參見Cheng等人著《利用裂化硒用分子束外延法低溫生長ZnSe》應(yīng)用物理通訊56卷848頁(199)(Low Temperature Growth of ZnSe By MolecularBeam Epitaxy Using Cracked Selenium Appl.Phys.Lett.Vol.56，p.848(1990))。
在與p和N型II-VI半導(dǎo)體產(chǎn)生低電阻率的歐姆接觸的能力方面也出現(xiàn)了難題。良好的歐姆接觸對于商業(yè)上可行(例如，低工作電壓及低發(fā)熱)的II-VI器件是必要的。
用于產(chǎn)生金屬-一半導(dǎo)體歐姆接觸的傳統(tǒng)技術(shù)是利用一個金屬系統(tǒng)(通常為熱合金)產(chǎn)生一個低勢壘以便載流子注入，和/或在半導(dǎo)體接觸層的表面盡可能多地向該層摻淺(能級)雜質(zhì)。由于勢壘高度很低和在半導(dǎo)體層中的高摻雜，因而勢壘非常薄，以至通過勢壘的載流子隧穿變得極為顯著。在所有的商業(yè)上可行的半導(dǎo)體器件和集成電路中大部分都是采用這種方法進行電流注入的。
該技術(shù)(例如摻雜和Au蒸發(fā))一般被假定也適于與p型ZnSe和其它II-VI半導(dǎo)體產(chǎn)生歐姆接觸。事實上，目前低阻p型ZnSe可被重復(fù)生長，傳統(tǒng)技術(shù)不能用來產(chǎn)生可接受的歐姆接觸已成定論。穩(wěn)定的低阻擋層金屬系統(tǒng)和非常高的摻雜不能用于這些半導(dǎo)體。這些困難的一個例外是ZnSe，它可被容易地摻雜成p型。利用傳統(tǒng)技術(shù)對該半導(dǎo)體產(chǎn)生歐姆接觸也是可能的。不論如何，很明顯，對其它p型II-VI寬帶隙半導(dǎo)體需要改進的歐姆接觸技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
總的來說，本發(fā)明的目的就是提供一種可商業(yè)應(yīng)用的II-VI半導(dǎo)體激光器，它可以利用傳統(tǒng)的電源電平在室溫下工作一個相當長的時間。
根據(jù)本發(fā)明提供一種II-VI化合物半導(dǎo)體激光二極管，包括構(gòu)成一個pn結(jié)的多個II-VI半導(dǎo)體層，包括至少一個第一光導(dǎo)層；上述pn結(jié)內(nèi)的II-VI半導(dǎo)體激活層；支撐上述的多個II-VI半導(dǎo)體層的一個半導(dǎo)體襯底；以及位于上述的多個II-VI半導(dǎo)體層相對的兩側(cè)的第一、第二電極，用于將電能耦合至上述的激光二級管。
附圖簡述

圖1為顯示本發(fā)明的II-VI半導(dǎo)體激光二極管結(jié)構(gòu)的橫截面圖(未按比例)。
圖2為用于制造圖1中所示的激光二極管的分子束外延系統(tǒng)的示意圖。
圖3為樣本Au在p型ZnSe和類似的用與圖1中所示的激光二極管的材料上的歐姆接觸的I-V特性曲線。
圖4為與到圖1所示的激光二極管所使用的相似的p型ZnSe歐姆接觸的能帶曲線。
圖5為從圖1所示激光二極管中輸出的以所加的電流為函數(shù)的測量到的光功率。
圖6為測到的以波長為函數(shù)的從圖1所示的激光二極管中輸出的自發(fā)輻射(非受激輻射)光輸出強度曲線、受激輻射光輸出強度曲線以及該受激輻射光輸出強度曲線的中心波長部分的詳盡的圖示。
圖7為顯示圖1中所示的激光二極管的交替加肋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖8為與圖1所示的激光二極管中所使用的相似的p型歐姆接觸層樣本的低溫光致發(fā)光(PL)光譜曲線。
圖9為根據(jù)本發(fā)明用于半導(dǎo)體摻雜的分子束外延倉室的示意圖。
圖10(a)和10(b)為PL強度與能量關(guān)系的曲線。
圖11(a)為最佳實施例的詳細描述中描述的半導(dǎo)體樣本的1/C2偏壓關(guān)系的曲線。
圖11(b)為最佳實施例的詳細描述中描述的半導(dǎo)體的凈受主濃度與耗盡寬度的關(guān)系的曲線。
圖12(a)為最佳實施例中描述的發(fā)光二極管的截面圖(未按比例)。
圖12(b)為圖12(a)所示發(fā)光二極管在77K時EL強度與波長關(guān)系曲線。
圖13為圖12(a)所示的發(fā)光二極管在室溫時EL強度與波長關(guān)系曲線。
圖14為最佳實施例的詳細描述中描述的第二發(fā)光二極管的截面圖(未按比例)。
具體實施例方式
按照本發(fā)明的激光二極管10的結(jié)構(gòu)見圖1所示，激光二極管10為寬帶隙II-VI器件，是通過在GaAs襯底上利用分子束外延法生長ZnSxSe1-x，ZnSe，和CdyZn1-ySe的異質(zhì)外延層而制成的。這種器件的原型已顯示了激光作用，在77K和脈沖電流注入下從CdyZn1-ySe量子阱結(jié)構(gòu)中發(fā)射出接近490nm的相干的蘭-綠光。
激光二極管10是在GaAs襯底12上制造的，并且包括下(第一)和上(第二)ZnSe光導(dǎo)層14和16，由Cd1-yZnySe量子阱激活層18隔開。與激活層18相對的光導(dǎo)層14和16的表面分別被下和上ZnSxSe1-x覆蓋層20和22所封住。一個下ZnSe歐姆接觸層24位于與光導(dǎo)層14相對的下覆蓋層20的表面上，而一個上ZnSe歐姆接觸層26位于與光導(dǎo)層16相對的上覆蓋層22的表面上。一個GaAs緩沖層28將襯底12與下ZnSe接觸層24隔開以確保接觸層和相繼淀積的各層具有較高的結(jié)晶質(zhì)量。一個聚酰亞胺絕緣層34覆蓋在與上覆蓋層22相對的上歐姆接觸層26的表面上。與歐姆接觸層26的電氣接觸是通過在絕緣層34上開條狀窗口形成Au電極30而實現(xiàn)的。在聚酰亞胺層34之上再加上一個薄的Ti層31以及一個最后的Au層33并露出Au電極30部分便于連接引線。與激光二極管10的下端的電氣接觸是通過在下歐姆接觸層24相對的襯底12的表面上的一個In電極32實現(xiàn)的。
在原型激光二極管10中，層24，20和14都用Cl摻成n型(即為第一導(dǎo)電率類型)。層16，22和26都用N摻雜成p型(即為第二導(dǎo)電率類型)。激活層18為未摻雜的Cd0.2Zn0.8Se半導(dǎo)體量子阱層，沉積厚度為0.01μm。光導(dǎo)層14和16都為0.5μm厚，下光導(dǎo)層14被摻到凈施主濃度為1×1017cm-3，而上光導(dǎo)層16被摻到凈受主濃度為2×1017cm-3。覆蓋層20和22是分別被沉積成厚度為2.5μm和1.5μm的ZnS0.07Se0.93半導(dǎo)體層。下覆蓋層的凈施主濃度為1×1018cm-3上覆蓋層的凈受主濃度為2×1017cm-3。歐姆接觸層22和26在這些原型器件中都被沉積成0.1μm的厚度。下接觸層被摻雜成n型且凈施主濃度為1×1018cm-3。上接觸層被摻雜成p型且使凈受主濃度達到1×1018cm-3。
其它參數(shù)和材料也可在制造本發(fā)明的激光二極管的過程中采用。例如，層24、20、14、16、22和26的厚度可根據(jù)應(yīng)用的需要而改變。對接觸層，覆蓋層和光導(dǎo)層來說，比較典型的厚度范圍分別為0.03～1.0μm，0.5～5.0μm和0.1～1.0μm。一般來說，光導(dǎo)層14和16的厚度應(yīng)當選擇使得光學模的寬度最小。如果層14和16太薄的話，漸消拖尾(evanecent tails)將會延伸進入覆蓋層20和22。層20和22必須足夠厚，使得在襯底12和電極32中光學模的吸收微乎其微。x大約為0.2的CdxZn1-xSe的組成(它決定了激光波長)被選擇，以提供足夠大的帶隙差(△Es大約為0.2eV)，便于有效載流子約束。較大的x將提供較深的量子阱，但也因為晶格失配增加而需要較薄的層，從而降低載流子向阱聚集的效率。
y大約為0.07的ZnSySe1-y的組成被選擇，以便與ZnSe引導(dǎo)層的折射率存在足夠的折射率差以形成低損耗波導(dǎo)。該組成也提供了出色的形態(tài)，因為它在300℃的生長溫度下是幾乎于與GaAs襯底晶格完全匹配。
其它的n型摻雜物包括Ga、Al、In、I、F和Br也可被使用。O或Li受主也可用來作為p型摻雜物。其它可使用的V族p型摻雜物還包括As和p。更大的施主和受主濃度也可被使用，但不能高到引起過多的自由載流子的吸收。
激光二極管10的原型是在具有(100)晶向的Si摻雜的n+型GaAs襯底12上制造的。該類型的襯底12可以從包括Sumitomo電子工業(yè)公司在內(nèi)的許多個制造者那里買到。在該實施例中，GaAs緩沖層28被沉積成1μm厚，并用Si摻雜成n+型，使凈施主濃度為1×1018cm-3。其它合適的襯底(例如，ZnSe，GaZnAs或Ge)以及緩沖層如AlGaAsAlAs，GaInP，AlInP，AlInAs或GaInAs也可以使用。在提供適合生長II-VI半導(dǎo)體的高質(zhì)量表面的同時，緩沖層28的厚度也可改變。如果使用了適合的高質(zhì)量的襯底和適當?shù)谋砻嫣幚?，緩沖層28可不再需要。
ZnSSe覆蓋層20和22和分別相鄰的ZnSe層24、14及16、26的晶格常數(shù)失配為大約0.3％。初步的透射電子顯微研究表明，光導(dǎo)層14和16的ZnSe由于在光導(dǎo)層與相鄰的ZnSSe覆蓋層20和22的交界面形成的位錯而被至少部分地松馳了。這些初步研究還顯示，CdZnSe量子阱激活層18的厚度小于該材料體系的臨界厚度。因此，在激光二極管10的發(fā)光區(qū)，量子阱激活層18是假晶層，位錯最小。對于應(yīng)變外延層例如18來說，最大的假晶厚度取決于組成，并且其計算公式可以從Matthews等人著的《外延多層中的缺陷》中找到，該文載于晶體生長雜志27卷118頁(1974)(Defects in Epi-taxal Maltilayers，J.Crystal Growth，Vol.27，p 118(1974))。量子阱層18的夾雜物也可以是其它半導(dǎo)體材料如ZnSeTe的假晶層，當其被置于較厚的低損耗II-VI波導(dǎo)中時，便于激光二極管10的低閥值電流操作。利用高折射率光導(dǎo)層14和16以及低折射率的覆蓋層20，22可形成波導(dǎo)，層20和22的帶隙可有一個小的差，且不要求精確的晶格匹配。光導(dǎo)層的組成可以是漸變的，以使位錯最小，和/或形成一個漸變折射率波導(dǎo)。
圖2顯示了用來制造上邊所述的激光二極管10的分子束外延(MBE)系統(tǒng)50。MBE系統(tǒng)50包括兩個由超高真空(UHV)管50連接的MBE倉室52和54。每個倉室52和54包括一個高能電子槍58，一個磷屏60，一個襯底加熱器90和一個流量監(jiān)視器62。如52、54的MBE倉室是公知的且可以從市場上買到。Perkin-Elmer430型MBE系統(tǒng)可用來生產(chǎn)原型激光二極管10。
MBE倉室52也用于在襯底12上生長GaAs緩沖層28，它包括一個Ga噴射槽64和一個As裂化槽66。一個Si噴射槽68也被提供作為一個n型摻雜物源。襯底12用常規(guī)或其它已知技術(shù)進行清潔和制備，在置入倉室52之前用In焊劑將其裝到鉬樣本塊上(圖2中未示出)。例如，在Cheng等人的《利用裂化的硒源分子束外延生長ZnSe》(Molecular-Beam Eitaxy，Growth of ZnSeUsing A Gacked Selenium Source，J.Vac.Sci Techrol.BB，181(1990))描述的襯底制備技術(shù)可被用來生產(chǎn)原型激光二極管10。通過采用常規(guī)的方法，例如《分子束外延技術(shù)和物理》(Technologyand Physics of Molecular Beam Epitaxy，ed E.H. C.Parker，Plenum Press，1985)中所描述的方法操作MBE倉室52使摻Si的緩沖層28可以在襯底12上生長。得到的緩沖層28具有一個富As表面，通過反射高能電子衍射(RHEED)可觀察到其顯示的C(4×4)結(jié)構(gòu)。帶有GaAs襯底12和緩沖層28的樣本塊然后通過UHV管道被送到MBE倉室54以進行進一步的處理。
在倉室54內(nèi)，器件層24、20、14、18、16、22和26都在緩沖層28和GaAs襯底12上生長。為實現(xiàn)這一點，倉室54包括一個Zn噴射槽70，裂化的Se噴射槽72，ZnS噴射槽74(作為S源)，Cd噴射槽76及一個標準的Se(即初始的Se6)噴射槽79。如圖所示，化的Se噴射槽72包括一個大容量蒸發(fā)器84和高溫裂化區(qū)82，并提供裂化的Se(包括Se2和其它的少于6個原子的Se分子)源。用于制造原型激光二極管10的大容量蒸發(fā)器84和高溫裂化區(qū)82為常規(guī)設(shè)計，其具體的設(shè)計和能力見上邊所述的Cheng等人的文章。利用ZnCl2源材料的Cl噴射槽78提供Cln型摻雜物。p型摻雜物由N自由分子團源80提供。自由分子團源80通過泄閥88接于超純N2的源86。用于制造激光二極管10的自由分子團源80可以從牛津應(yīng)用研究公司(Oxford Applied Research Ltd.of Oxfordshire，Enghand)買到(型號MPD21)。該源長度為390mm。在該源的一端的射束出口板是由熱解氮化硼(PBN)制成的并且有9個直徑為0.22mm的通孔。該源是通過一個10″延伸管被裝在噴射槽的標準口。用來制造激光二極管10的N2源86是研究純度級，由Matheson氣體產(chǎn)品公司制造(Matheson Gas Products)。源86的泄放閥的入口壓力為5psi。
MBE倉室54的操作是以Cheng等人在《用分子束注入法生長p和n型ZnSe》〔Growth of p-and n-Type ZnSe By Molecu-lar Beam Epitaxy，J Crystal Growth 95，513(1989)〕中所述的方法利用Se6源79作為Se源分別生長原型激光二極管的n型接觸層，覆蓋層和光導(dǎo)層24、20和14。量子阱激活層18以Samarth等人寫的《分子束外延CdSe和派生的合金Zn1-xCdxSe及Cd1-xMnxSe》(Molecular Beam Epitaxy of Cdse and the Derivative AlloysZn1-xCdxSe and Cd1-xMnxSe，J.Electronic Materials，Vol.19，No.6，p.543(1990))中描述的方法進行生長。
MBE倉室54以Park等人的共同未決美國專利No.07/573,428，名稱為《在分子束外延過程中IIB-VIA半導(dǎo)體的摻雜》(Doping of IIB-VIA Semiconductors During Molecular BeamEpitaxy)(1990年8月4日遞交)中描述的方法，利用Se6源79生長p型光導(dǎo)層16和覆蓋層22。在上述的美國專利No.07/573,428中披露的內(nèi)容將下面重述。
由自由分子團源產(chǎn)生的原子摻雜質(zhì)束(N或O)在產(chǎn)生p型ZnSe外延薄膜的分子束外延過程中被用來摻雜ZnSe。當頻率為13.52MHz的電磁功率被耦合到自由基源的RF等離子放電倉時，在自由基源的倉室內(nèi)的超純氣體源便產(chǎn)生原子摻雜物質(zhì)。一個具有18個大約0.3mm直徑的孔的擴散板用來分開自由基源及分子束外延倉。產(chǎn)生的原子摻雜物質(zhì)的數(shù)量受耦合的RF功率以及RF等離子放電倉內(nèi)的壓力控制。通過擴散板的開口噴射到分子束外延倉的原子摻雜物質(zhì)被作為在分子束外延生長ZnSe的過程中的摻雜物。
在一個實施例中，ZnSe薄層被生長在表面法線矢量基本上沿著〔001〕晶向的拋光良好的GaAs表面上。有許多供應(yīng)商，即可供應(yīng)GaAs襯底，例如Sumitomo電子工業(yè)公司(Sumitom ElectricIndastries，Ltd.1-1 Koyakita 1-Chome，Itami，Hyogo，664Japan)，也有供應(yīng)GaAs外延層的，例如Spire公司(Spire Cor-poration，Patriots Park，Bedford，Massachusetts，01730)。在放入到分子束外延系統(tǒng)生長ZnSe之前，GaAs襯底被在三氯乙烷、丙酮、和異丙醇中脫脂，在去離子水中清洗并且由純氮氣吹干。經(jīng)脫脂的襯底被放入含有6份酸1份過氧化氫和一份去離子水的溶液中呆幾分鐘(大約2到5分鐘)進分化學腐蝕。襯底在去離子水中清洗并由高純氮氣吹干。然后經(jīng)過脫脂和化學腐蝕的GaAs襯底被用熔化的高純In作焊劑粘附到Mo樣品塊上。襯底組件隨后被立即放入到分子束外延系統(tǒng)中。GaAs襯底被在超高真空生長室內(nèi)加熱到610°并持續(xù)1～5分鐘以排放出那里的氧并露出下面的晶體結(jié)構(gòu)，在其上將要生長具有同樣晶體結(jié)構(gòu)的ZnSe。通過分子束外延ZnSe的典型生長環(huán)境為Zn與Se束的等效壓力比為1∶2(在1∶4到2∶1的范圍內(nèi))，生長溫度為275℃(在250℃～400℃范圍內(nèi))。典型的層厚和生長率分別為2μm和0.5μm/h(在大約0.4μm/h～2.0μm/h的范圍內(nèi))。由自由基源產(chǎn)生的原子摻雜物通過打開阻斷自由基源和加熱的襯底的照準路的機械節(jié)門而被結(jié)合到ZnSe中。
近年來，有關(guān)在寬帶隙IIB-VIA化合物半導(dǎo)體，ZnSe(在室溫下，Es≈2.67eV)方面的研究的焦點已集中到生產(chǎn)低電阻率p型材料。本發(fā)明利用一種現(xiàn)場生產(chǎn)具有ZnSePn結(jié)的外延結(jié)構(gòu)的方法和裝置。這在制造高效率的發(fā)光器件，例如工作在可見光譜的蘭色部分的發(fā)光二極管和二極管激光器方面是很有用的。
在ZnSe中氮和氧都是極好的p型摻雜物質(zhì)。除了提供大的凈受主濃度(大于5×1015cm-3和低補償(NO/NA小于0.8左右))，氮和氧在ZnSe中在溫度達到375℃時是穩(wěn)定的。
在分子束外延生長過程中，較大濃度的凈氮受主雜質(zhì)被結(jié)合到涉及氮原子束摻雜的ZnSe/GaAs外延層中。在形成的p型ZnSe材料中已測量到凈受主濃度為4.9×1017cm-3。
圖9示出了分子束外延系統(tǒng)110。分子束外延系統(tǒng)110包括一個容納襯底114的分子束外延倉112。分子束外延倉112包括一個電子槍116，磷屏118和流量監(jiān)示器120。在分子束外延倉112中還載有噴射槽122，124，126和128。噴射槽122、124、126和128可包括例如ZnSe和ZnCl2的噴射槽。分子束外延系統(tǒng)110也包括一個自由基源130。自由基源可包括任何VA族元素或氧自由基源。例如，自由基源130可提供一個氮自由基源，其中自由基源130從超純氮源132通過閥133可提供超純的氮。自由基源130可從牛津應(yīng)用研究公司(Oxford Applied Research Ltd.(Oxfordshire，UK))買到。自由基源130可包括其它產(chǎn)生自由基的源，例如可使用一種電子回旋共振(ECR)自由基源(可從Wavemat公司44780 HelmStreet，Plymonth Michigan買到)。通過微波管耦接到氣體源的微波裂解器可用來產(chǎn)生自由基。也可使用一個Dc等離子放電倉。此外，任何合適的熱裂解槽或分解槽(可從EPI.261 East FifthStreet，St.Paul Minnesota 55101買到)都可被使用。
ZnSe層在這里所描述的這種類型的分子束外延系統(tǒng)中在GaAs上被生長。這些層在襯底溫度為275℃Zn與Se束等效壓力比為1∶2的情況下生長(典型層厚和生長率分別為2μm和0.5μm/h)。ZnSe的p型摻雜是用分子束外延倉內(nèi)的自由基源，而不是傳統(tǒng)的噴射源實現(xiàn)的。自由基源提供在RF等離子放電倉內(nèi)產(chǎn)生的原子態(tài)氮流(連同更大數(shù)量的未分解的N2流)。一個頻率為13.5MHZ的RF射頻被用來從超純N2氣體源產(chǎn)生氮原子。原子態(tài)氮流量可通過適當?shù)卣{(diào)整RF等離子放電的強度進行控制。
利用自由基原子束有效地結(jié)合到ZnSe的氮要大于結(jié)合的分子氮，這可通過比較從只利用N2流和N+N2。流生長的ZnSe中記錄的在10K的光致發(fā)光(PL)光譜而得到證明。如圖10(a)所示，只用N2流生長的ZnSe層中記錄的在10K的PL光譜(在該情況，保持在分子束外延倉中N2的平衡背景壓力為5×10-7乇)呈現(xiàn)與從未摻雜的ZnSe的異質(zhì)外延層中記錄的光譜一致(參見R.M.Park，C.M.Rowleau，M.B.Troffer，T.Koyama，和T.Yodo.J.Mater.等人在“材料研究”5，475(1990)中的描述)。激子態(tài)的主峰為裂化的自由激子(Ex)及施主結(jié)合激子(I2)的躍遷，裂化是由于ZnSe和GaAs之間熱膨脹系數(shù)失配造成的，它使ZnSe層受到平面的雙軸張力(參見K.Shanzed，D.J.Olego，D.A.Cammack，在“物理周刊”B39 13016(1989)中的描述)。結(jié)果，由于在如此低的背景N2的局部壓力下，分子氮在ZnSe表面為完全惰性。但是如圖10(b)的10K光譜所示，當在自由基源中產(chǎn)生等離子放電時，這種情況產(chǎn)生了戲劇性的變化。在加上功率引起RF等離子放電的情況下，在分子束外延倉中背景N2的局部壓力在生長過程中也為5×10-7乇。激子態(tài)取決于因為氮受主雜質(zhì)的摻雜而引起的裂化的受主結(jié)合激子(IIN)的躍遷(參見P.S.Dean W.Stutius，G.F.Neumark，B.J.Fitzpatrick，及B.N.Bhargava，在“物理周刊”B27，2419(1983)中的描述)。此外，整個PL光譜是由施主—受主(D-A)躍遷(QON)代表非聲子躍遷，若干與QON一樣的LO聲子也被指出)決定，與激子躍遷相反。因此，在生長的ZnSe表面原子氮的置換結(jié)合率遠大于分子氮。從得到圖10(b)所示的PL光譜的樣本發(fā)現(xiàn)其凈受主濃度為1×1017cm-3。
利用電容—電壓(C-V)分布可測定在摻氮的ZnSe/GaAs層中的凈受子濃度NA-ND。由于ZnSe外延層是在半絕緣的GaAs上生長的，在ZnSe表面兩個肖特基接點之間進行平面成型。表面接觸圖形由一系列直徑為762μm的Cr/Au點組成，這些點與一個較大的Cr/Au環(huán)繞電極物理地隔開。在這些內(nèi)(點)電極和外電極之間的間隔大約為25μm，小的分隔是必要的以維持低的串聯(lián)電阻。接觸圖形是通過熱蒸發(fā)75A的Cr，然后是1000A的Au再進行光刻和剝離處理而形成的。在所有這些測試中，外電極保持地電位，而偏壓被加到內(nèi)肖特基接點。
按照符號慣例，多數(shù)載流子類型由1/C2與V的曲線斜率的符號給出；正斜率表明材料為p型。凈受主(NA-ND)濃度正比于1/C2與V的曲線斜率。從重摻雜的ZnSe層得到1/C2對V的曲線及NA-ND對耗盡寬度的關(guān)系分別在圖11(a)和圖11(b)中顯示出，該材料為p型，受主濃度大約為3.4×1017cm-3。如圖11(a)和11(b)所示，p型材料的凈受主濃度約為3.4×1017cm-3。如圖11(b)所示，從0偏壓(0.068μm)直至發(fā)生擊穿的反向偏壓(1.126μm)，摻雜分布是相當平坦的。擊穿發(fā)生在3.8V，這與這樣摻雜(3.4×1017cm-3，p型)的ZnSe材料的雪崩擊穿一致。
摻氮的ZnSe材料的p型性質(zhì)的進一步的證明可通過制造以外延生長ZnSeN/ZnSeClPn同質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的蘭發(fā)光二極管而得到。在這些Pn結(jié)中的n型ZnSe層是利用Cl作為雜質(zhì)生長的，Cl原子源是一個安裝在分子束外延系統(tǒng)中的ZnCl2噴射槽。
許多利用分子束外延法生長的ZnSe樣品被測試。結(jié)果如下1.未摻雜的ZnSeZn相對于Se束等效壓力比1∶2生長溫度275℃結(jié)果低溫光致發(fā)光光譜表明的樣品不是p型。C-V測試表明的樣品是絕緣的。
2.在未對自由基源加RF功率的情況下用N2摻雜ZnSeZn相對于Se束等效壓力比1∶2生長溫度275℃RF功率OW背景壓力5×10-7乇結(jié)果低溫光致發(fā)光光譜表明的樣品不是p型。
C-V測試表明的樣品是絕緣的。
3.在對自由基加RF功率的情況下用N2摻雜的ZnSeZn相對于Se束等效壓力比1∶2生長溫度275℃RF功率320W背景壓力5×10-7乇結(jié)果低溫光致發(fā)光光譜，電流—電壓測試和電容—電壓測試表明樣品為p型。NP/NA≤0.8(高摻雜效率)，NA-ND＝3.4×1017cm-3。
4.在對自由基源加RF功率的情況下用O2摻雜ZnSeZn相對Se束等效壓力比1∶2
生長溫度275℃RF功率320W背景壓力5×10-7乇結(jié)果低溫光致發(fā)光光譜，電流—電壓測試。電容—電壓測試表明樣品為p型，并且NA-ND＝3.0×1016cm-3。
圖12(a)示出了一個發(fā)光二極管134。發(fā)光二極管134包括一個p型GaAs襯底136。p型襯底136形成了用于分子束外延生長的基礎(chǔ)。一個p型ZnSe氮摻雜層138沉積在p型GaAs襯底136上。p型ZnSe138按照本發(fā)明利用氮自由基源沉積。一個n型ZnSe氯摻雜層140沉積在p型ZnSe層138上。一個n+ZnSe蓋層142沉積在n型ZnSe層140上。層138、140和142是通過分子束外延生長沉積的。歐姆接觸144和146分別形成對n+ZnSe蓋層142和p型GaAs襯底136的電氣接觸。在一個實施例中，p型ZnSe層138的厚度為2μm，凈受主濃度為1×1017cm-3。n型ZnSe層140厚度為0.5μm，凈施主濃度為1×1018cm-3。n+ZnSe蓋層142厚度為500A，凈施主濃度為5×1018cm-3。
圖12(a)顯示了p型ZnSe層被首先生長在p+型GaAs襯底上。此類型的“掩埋p型層”結(jié)構(gòu)避免了與p型ZnSe形成歐姆接觸有關(guān)的嚴重問題(參見M.A.Haase，H.Cherg，J.M.Depuydt及J.E.Potts在“應(yīng)用物理”雜志中的描述)(J.Appl.Phys.67，448(1990))。但是，該器件設(shè)計的不利之處是在p+-GaAs/P-ZnSe異質(zhì)界面存在一個較大的空穴勢壘(參見L.Kassel等人在“應(yīng)用物理通訊”中的有關(guān)描述)(L.Kassel，H.Abad，J.W.Garland，P.M.Raccah.J.E.Potts，MA.Haase，and H.Cheng.Appl.Phy.LeH.5642(1990))。在該類型器件中，通過p+-GaAs/P-ZnSe異質(zhì)界面的空穴注入僅在雪崩擊穿時發(fā)生。因此，需要較大的導(dǎo)通電壓才能觀察到與ZnSePn同質(zhì)結(jié)相關(guān)的電致發(fā)光。
發(fā)光二極管的制造是利用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)實現(xiàn)的，器件隔離是通過化學腐蝕形成400μm直徑的臺面取得的。頂電極金屬化為環(huán)狀，利用真空蒸發(fā)和剝離形成。超聲金球鍵合(Ultrasonic gold ballbording)被用來產(chǎn)生與器件的接觸，實現(xiàn)電致發(fā)光特性。
對圖12(a)中所示的發(fā)光二極管134在77K時記錄的典型的電致發(fā)光光譜如圖12(b)所示。對圖12(b)中所示的光譜來說，器件的工作電壓和電流分別為13.5V和40mA。如同圖12(b)中可以看到的那樣，可看到的電致發(fā)光主要是蘭輻射。光譜中包括一系列可分辨的線主要在447.7nm，459.6nm和464.7nm處。在光譜中的兩個最高的能量峰值在能量上緊密對應(yīng)于由Akimoto等人報告的利用氮離子注入和退火處理制造的發(fā)光二極管在77K時觀察到的電致發(fā)光能量峰值。(K.Akimoto，J.Miyajima，and Y.Mori，Jpn.J.Appl.Phys.28，L528(1989))。從這些裝置中還記錄到了在844nm的紅外輻射(與蘭輻射同時)，這是由于在異質(zhì)節(jié)(圖12(b)中未示出)在雪崩擊穿條件下電子注入到p+型GaAs中的結(jié)果。
在室溫下從圖12(a)所示的器件結(jié)構(gòu)記錄的電致發(fā)光光譜(僅僅是可見光區(qū))如圖13所示。從圖中，可以看到主要發(fā)射是在光譜的蘭區(qū)，強度峰值處在波長465nm處。對圖13所示的特定光譜，施加的電壓和驅(qū)動的電流分別為20V和20mA。
圖14顯示了一個發(fā)光二極管148。發(fā)光二極管148為是一個p型層在n型層上的器件，其操作與圖12(a)中的發(fā)光二極管134相似。發(fā)光二極管148包括n+GaAs襯底150，n型ZnSe層152和p型ZnSe型154。接點156和158與p型ZnSe層154和n+GaAs襯底150形成電氣接觸。p型ZnSe層154是利用上述的分子束外延法及VA族自由基源沉積的。在一個實施例中，圖14所示的二極管148的n型ZnSe層152的凈施主濃度為1×1018cm-3左右，厚度為2.0μm左右，而p型ZnSe層154的凈受主濃度大約為1×1017cm-3而厚度為0.5μm。
利用上述的方法和裝置，也可產(chǎn)生一個n型IIB-VIA半導(dǎo)體膜。所形成的半導(dǎo)體膜可用于Pn結(jié)器件，如發(fā)光二極管，光探測器以及二極管激光器和晶體管。自由基源被引入分子束外延生長倉在分子束外延生長過程中為VIA半導(dǎo)體提供摻雜質(zhì)。自由基源可以是氮、磷、砷和銻。氧也可以作為適合的自由基源。該方法和裝置也可用于ZnSe的N摻雜和O摻雜。p型三元IIB-VIA半導(dǎo)體包括Zn1-xCdSe，ZnSe1-xTex，ZnSe1-xSx，ZnS1-xTex，及Zn1-xCdxS。
再參看圖1及本發(fā)明，下ZnSSe覆蓋層20利用ZnCl2源摻雜成n型。其它用于生長覆蓋層20和22的技術(shù)見述于Matsumura等人的文章(Optimum Composition In MBE-ZnSxSe1-x/ZnSeFor High Quality Heteroepitaxial Growth，J.Crys，Growth，Vol.99，p.446(1990))。
通過利用裂化的Se源72(即裂化區(qū)82和蒸發(fā)器84)，在低溫下在MBE倉54內(nèi)生長接觸層的同時，按照本發(fā)明該接觸的半導(dǎo)體材料摻雜成p型，一個低電阻率p型ZnSe歐姆接觸層26即可得到。用于產(chǎn)生原型激光二極管10的接觸層26的低溫生長技術(shù)見述于Cheng等人的文章《采用分子束外延法利用裂化的Se低溫生長ZnSe》(Low Temperature Groutth of ZnSe By MoleculorBeam Epitaxy Using Cracked Selenium，Appl.Phys，Lett.(Feb.1990))。在襯底12之上具有層28，24，20，14，18，16和22的產(chǎn)導(dǎo)體本體被加熱到溫度小于250℃，但高到足以使摻有N的P型雜質(zhì)達到凈受主濃度為1×1017cm-3的ZnSe的晶體生長。當在150℃襯底溫度生長時，在原型激光二極管10的歐姆接觸層26中，取得的凈受主濃度為1×1018cm-3。但是，可以預(yù)料，具有可接受特性的歐姆接觸層26也可以在低到至少130℃的其它生長溫度取得。其它用于制作原型激光二極管10的歐姆接觸層26的MBE倉54的工作參數(shù)如下Zn束等效壓力1.0×10-7乇*Se裂化區(qū)溫度600℃*Se大容量蒸發(fā)器溫度250℃*生長率 0.3-0.6μm/hr表面重現(xiàn) 穩(wěn)定的Zn倉內(nèi)氮壓力 ＞3.5×10-7乇*rf功率 150-250W**取決于特定MBE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)圖3是為了實驗的目的以上述大體相似的方法在p型ZnSe接觸層上制作的具有兩個共面Au金屬電極的樣品的電流—電壓特性。該接觸的歐姆特性由該曲線在整個-6～+6V范圍內(nèi)的線性性質(zhì)而得到表明。
能實現(xiàn)接觸層26的歐姆特性的機制可參見圖4的Au-p型ZnSe接觸層界面的能帶圖進行描述。除了傳統(tǒng)歐姆接觸使用的所希望的淺雜質(zhì)100以外，在接觸層形成附加的電子能態(tài)102。這些附加的能態(tài)102，就最大價帶而論，與淺雜質(zhì)能級100的深度比較，是相對較深(在禁帶之內(nèi))。能態(tài)102處在位于小于Au費米能級大于淺雜質(zhì)能極100的能級的有效的中間能態(tài)。由于在兩個給定的能態(tài)之間的電荷載流子隧穿的可能性隨著兩態(tài)距離的減小按指數(shù)增加，通過提供載流子的暫駐而極大地增加了隧穿的可能性并便于多級或串級隧穿。最佳條件在圖4中示出，其中EF為費米能級，EA為受主能級。圖4中還示出了顯示電子在ZnSe和Au層間通過附加能態(tài)102進行多級隧穿轉(zhuǎn)移的曲線。電子能態(tài)處于多于一個能級，可使電子從一態(tài)到一態(tài)地從而發(fā)生隧穿，這甚至可得到更好的接觸。
可以預(yù)見，附加能態(tài)102的引入可通過多種方法。在生長過程中進行摻雜，擴散、離子注入或其它已知的技術(shù)可以用來摻可以產(chǎn)生深能級的雜質(zhì)。一種重要類型的深能級雜質(zhì)為等電子陷井。例如，Te被認為在ZnSe中形成空穴陷井。附加能態(tài)102也可以通過在接觸層26內(nèi)引入適當?shù)谋倔w晶體缺陷如位錯，空位，間隙或復(fù)合(但不局限于此)形成。這可以在沉積接觸層的過程中通過選擇先驅(qū)物的分子物質(zhì)和/或利用其它適合的生長條件來達到。本體缺陷也可以通過過生長處理如電子束、離子束、基束輻照或電磁輻射產(chǎn)生。但是實施這些技術(shù)一定不能降低用來作為接觸層的ZnSe或其它半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率。
因此，有用的p型接觸層26呈現(xiàn)出具有許多的特性。凈受主密度NA-ND很大，最好至少為1×1018cm-3。這便于減小電荷載流子必須隧穿的勢壘寬度。p型摻雜質(zhì)濃度(在激光二極管10中為N)也必須很大，最好至少為1×1019cm-3。除了形成淺受主能級外，氮雜質(zhì)也參加深能態(tài)的形成。以最小來說，所需氮的數(shù)量為將能提供適當?shù)膬煞N類型能級的濃度。生長條件也必須適當以形成在上述能級的缺陷。上述的低溫生長技術(shù)已經(jīng)證明可產(chǎn)生這些材料的特性(接觸電阻小于0.4Ωcn2已經(jīng)取得)。
圖8中顯示了從良好的歐姆接觸層如26得到的低溫光致發(fā)光(PL)光譜。觀察到的特征包括1)接近帶邊緣PL很微弱；2)在2.3eV(18.500cm-1)缺陷帶出現(xiàn)；3)存在2.5eV(20，400cm-1)帶(估計是與施主—受主—對復(fù)合相關(guān)的)。對于具有顯著深能級濃度的材料來說，其深能級提供較長波長和與近帶邊緣過程對抗的非輻射通道，帶邊緣PL被預(yù)期是很弱的。大約在2.3eV的發(fā)射帶與從導(dǎo)帶向位于價帶頂上0.5eV的深(受主)能級的躍遷有關(guān)。這種能量位置較近的能態(tài)對串級隧穿十分有效。處于2.5eV的發(fā)射帶被認為與從施主到受主態(tài)的躍遷有關(guān)。沒有或最小的施主態(tài)將是較佳的，這可以消除這種躍遷，或?qū)⑵浒l(fā)生轉(zhuǎn)移到略高的能量。
一般說來，除了下述的不同外，傳統(tǒng)的方法(即、用于Si和III-V半導(dǎo)體器件的那些)被用來完成原型激光二極管10的制造。隨著接觸層26的沉積，未完成的激光二極管10被從MBE倉54中取出。電極30含有Au，是通過真空蒸發(fā)到接觸層26上并使用傳統(tǒng)光刻和剝離工藝形成條狀(比較典型的為20μm寬)圖形。然后絕緣層34被加到電極30和接觸層26的暴露的表面。對于可在低溫施加的絕緣物質(zhì)，以聚酰亞胺阻光材料為佳。Giba-Geigy公司的Pro-bimide 408被用來制造激光二極管10。除了顯影后硬化處理，通過利用光掩膜和生產(chǎn)商推薦的處理方法，在電極30上的聚酰亞胺層34上通過UV輻照去掉條狀區(qū)(大約20μm寬)。為了硬化已顯影的聚酰亞胺，器件被暴露于來自掩膜對準器的1J/cm2的UV光下，并在空氣中的一個熱板上在125℃的溫度下烘烤3分鐘。然后Ti-Au層31被蒸發(fā)到Au電極30和聚酰亞胺層34的暴露面以便于引線連接。用于MBE襯底結(jié)合的In也用來作為襯底12上的電極32。器件的相對端被沿著(110)面解理形成解理面鏡。原型器件10的腔寬大約為1000μm。然后激光二極管10P端向上用充銀的環(huán)氧樹脂粘結(jié)到陶瓷的套管里。
此等激光器的改進的性能可通過提供更好的光學模的側(cè)向約束而得到。這可通過形成如圖7所示的折射率導(dǎo)向激光器10′得到。折射率導(dǎo)向激光器10′與激光器10相似，可以用同樣的II-VI半導(dǎo)體層制造。激光器10′與激光器10相對應(yīng)的部分用同一標號但加撇(即“x ′”)縛。尖所示的實施例中，激光器10′在覆蓋層22′和接觸26′中包括一個波導(dǎo)或肋35。肋35可通過利用Xe或A1離子束進行離子束蝕刻或濕化學蝕刻形成寬度為5μm傳統(tǒng)的光致抗蝕劑可用于為此目的的掩模。其它已知的傳統(tǒng)技術(shù)也可用來提供橫向的波導(dǎo)。這些技術(shù)包括利用已開槽的襯底(即溝道襯底激光器)或蝕刻一個肋并再生長一個頂覆蓋層(即“掩埋式異質(zhì)結(jié)”激光器)。閥值電流或微分量子效率的改進可通過解理平面涂介質(zhì)調(diào)整反射率而取得。
這種原型激光二極管10的初始測試是在77K通過向器件施加脈沖進行的，典型的是500ns的脈沖，周期為500μs。電流測量利用一個脈沖平均器進行，同時使用一個大型Si光探測器收集和監(jiān)視來自器件一個解理面的輸出光強。測量到的一個此等器件的以電流為函數(shù)的光輸出(即L-I)特性見圖5所示。閥值電流為74mA，它對應(yīng)于320A/cm2的閥值電流強度。每解理面超過20％的微分量子效率被測量到，因為具有大于100mV每解理面的脈沖輸出功率。相干光是強烈TE極化的，一個“花紋圖樣”清晰可見。輸出的激光束具有一個橢圓遠場圖樣，對于中心波辨發(fā)散度大約40°×4°。側(cè)波辨是可見的，表明較高階的橫模。
如圖5所示的測量到的L-J特性的確表明對脈沖長度的某種依賴。在高電流密度，在單量子阱原型器件中的增蓋趨于飽和。同時，由于多余載流子注入，折射率降低，這趨于使電極30的條狀下面區(qū)域反引導(dǎo)。由于取決于折射率的熱梯度和溫度提供橫向光學約束，在此等電流密度下，熱效應(yīng)變得很重要?？梢灶A(yù)料這些特性在諸如激光二極管10′那樣的折射率引導(dǎo)類型中得到減輕。
圖6為原型激光二極管10在77K的特性光譜圖。圖6中所示的光譜是利用SPEX1403雙單色儀獲得的。在電流低于閥值時，在490nM產(chǎn)生自發(fā)發(fā)射并具有3nm左右的半極大值全寬度(FWHM)。高于閥值時，1060μm長的器件工作在中心為489.6μm間隔為0.03nm的許多縱模中。
在溫度高到200K的情況下，在原型激光二極管10中的較短時間周期內(nèi)觀察到了激光作用。在室溫下，器件在502nm發(fā)射，但不是激光。
厚型激光本極管10在閥值電流的工作電壓接近15V。該特征表明在電極30和接觸層26之的歐姆接觸方面和/或p型層16，22和26的導(dǎo)電率方面仍有改進的余地。降低該串聯(lián)電阻并改進器件散熱(即通過焊劑側(cè)下結(jié)合p型(p-type side down))是所希望的以便于在高溫下CW操作。
可以予料，這里披露的用來制造原型激光二極管10的發(fā)明構(gòu)思也同樣很好地適用于制造其它化合物II-VI半導(dǎo)件合金，特別其它ZnSe合金和激光二極管。例如，改進的工作特性可通過使用如CdxZn1-xS(x大約為0.61)和ZnSe的晶格匹配材料以形成波導(dǎo)來取得。在這種器件中的量子阱可包括CdZnSe。此半導(dǎo)體系統(tǒng)將不會遇到可降低器件效率和有效壽命的不吻合位錯。而且，由應(yīng)變層超晶格制成的多重量子阱激活層可取代單一的假晶量子阱層18。
歐姆接觸層26也可以用較小帶隙的II-VI合金如ZnS ZnSe.1-xTex，CdxZn1-xSe和HgxZn1-xSe的薄層來進行改進。除Se2以外的VI族源也可用于產(chǎn)生本發(fā)明的歐姆接觸。其它VI族物質(zhì)Xm，其中m＜6，以及其它這種物質(zhì)的源也適于替代。其它具有較大逸出功(例如＞7eV)并適于穩(wěn)定的半導(dǎo)體界面的金屬(如Pt)或?qū)щ姴牧弦部捎脕碜鳛殡姌O?？傊?，盡管本發(fā)明是參照最佳實施例進行描述的，但是可以在形式和細節(jié)上做出改變而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種II-VI化合物半導(dǎo)體激光二極管，包括構(gòu)成一個pn結(jié)的多個II-VI半導(dǎo)體層，包括至少一個第一光導(dǎo)層；上述pn結(jié)內(nèi)的II-VI半導(dǎo)體激活層；支撐上述的多個II-VI半導(dǎo)體層的一個半導(dǎo)體襯底；以及位于上述的多個II-VI半導(dǎo)體層相對的兩側(cè)的第一、第二電極，用于將電能耦合至上述的激光二級管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光二極管，包括位于上述襯底和第一光導(dǎo)層之間的、由具有第一導(dǎo)電類型的II-VI半導(dǎo)體構(gòu)成的第一覆蓋層。隔著第一覆層與上述的第一光導(dǎo)層相對的、由具有第二導(dǎo)電類型的II-VI半導(dǎo)體構(gòu)成的第二覆蓋層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的激光二極管，其中的多個II-VI半導(dǎo)體層包括位于襯底之上的、由具有第一導(dǎo)電類型的II-VI半導(dǎo)體構(gòu)成的第一光導(dǎo)層，以及位于上述的第一光導(dǎo)層之上的、由具有第二導(dǎo)電類型的II-VI半導(dǎo)體構(gòu)成的第二光導(dǎo)層，上述的第一、第二光導(dǎo)層構(gòu)成上述的pn結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的激光二極管，還包括位于上述的襯底和第一光導(dǎo)層之間的、由具有第一導(dǎo)電類型的II-VI半導(dǎo)體構(gòu)成的第一覆蓋層，隔著第一光導(dǎo)層與第二光導(dǎo)層相對的、由具有第二導(dǎo)電類型的II-VI半導(dǎo)體構(gòu)成的第二覆蓋層。
5.如權(quán)利要求1至4中任一個所述的激光二極管，其中該激活層包括量子阱激活層。
6.如權(quán)利要求5所述的激光二極管，其中該量子阱激活層具有提供中430和590納米之間波長的光發(fā)射的成分。
7.如權(quán)利要求5或6所述的激光二極管，該量子阱激活層具有至少與所述所述光導(dǎo)層的能帶隙相差0.2eV的能帶隙。
8.如權(quán)利要求1至7中任一個所述的激光二極管，至少一個II-VI半導(dǎo)體的層面用氮摻雜為p型。
9.如權(quán)利要求1至8中任一個所述的激光二極管，還包括設(shè)在至少一個II-VI半導(dǎo)體層中的波導(dǎo)脊。
10.如權(quán)利要求1至9中任一個所述的激光二極管，其中的激活層包括多量子阱激活層。
11.如權(quán)利要求1至10中任一個所述的激光二極管，其中的激活層中包括鋅和硒。
12.如權(quán)利要求1至11中任一個所述的激光二極管，其中的激活層中還包括鎘。
13.如權(quán)利要求1至12中任一個所述的激光二極管，包括至少一個摻有自由基源的p型摻雜質(zhì)的II-VI半導(dǎo)體的p型層，其中的凈受主濃度至少為1×1017cm-3。
14.一種包括權(quán)利要求1至10中任一個所述的II-VI激光二極管的電子系統(tǒng)，用于發(fā)出頻譜中的藍和/或綠部分的相干光束。
全文摘要
一種II－VI化合物半導(dǎo)體激光二極管，包括構(gòu)成一個pn結(jié)的多個II－VI半導(dǎo)體層，包括至少一個第一光導(dǎo)層；上述pn結(jié)內(nèi)的II－VI半導(dǎo)體激活層；支撐上述的多個II－VI半導(dǎo)體層的一個半導(dǎo)體襯底；以及位于上述的多個II－VI半導(dǎo)體層相對的兩側(cè)的第一、第二電極，用于將電能耦合至上述的激光二級管。
文檔編號H01S5/223GK1474485SQ0214793
公開日2004年2月11日 申請日期1992年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月15日
發(fā)明者邁克爾·A·海斯, 鄭驊, 詹姆斯·M·迪魯特, 邱鈞, M 迪魯特, 邁克爾 A 海斯 申請人:明尼蘇達州采礦制造公司