專利名稱：無包層單量子阱ii-vi族激光二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及Ⅱ-Ⅵ族激光二極管，更具體地說，涉及能在相對低的工作電壓下有效地產(chǎn)生高強度光束的Ⅱ-Ⅵ族激光二極管。
由明尼蘇達市波爾街上的3M公司開創(chuàng)的研究以公開表明在世界上第一次用Ⅱ-Ⅵ族半導體材料制造出激光二極管而達到頂峰。這些器件在光譜的藍綠部分的490nm發(fā)射相干輻射。這些在Haase等的題為“短波長Ⅱ-Ⅵ族激光二極管”的文章中進行了披露(1991年物理學會會議叢書No.120，pp9-16，GaAs及有關的化合物的學會論文集)。
因而，繼續(xù)需要改進Ⅱ-Ⅵ族激光二極管工藝。為了達到廣泛的商業(yè)應用，激光二極管在結構上必須相當簡單，并且制造成本不能昂貴，這些器件還必須能在相對低的電壓下工作。
本發(fā)明是一種能在相對低的電壓下有效地產(chǎn)生高強度光束的Ⅱ-Ⅵ族激光二極管。該器件在結構上相當簡單，制造成本亦不昂貴，因為它不包括為約束激光束而提供的半導體包層。
在一個實施例中，激光二極管包括一第一種導電類型的單晶半導體襯底。第一種導電類型的Ⅱ-Ⅵ族半導體構成的第一導向層覆蓋住襯底。由Ⅱ-Ⅵ族半導體構成的單量子阱有源層覆蓋在第一導向層上。由第二種導電類型的Ⅱ-Ⅵ族半導體構成的第二導向層覆蓋在有源層上，并與第一導向層形成一pn結。第一電極層從與第一導向層相對的一方覆蓋住襯底，而第二電極層從與有源層相對的一方覆蓋住第二導向層。第一和第二導向層的厚度要使襯底和第二電極能將光束限定在有源層和第一、第二導向層內。
在另一個實施例中，襯底包括一GaAs襯底。第一和第二導向層包括組合厚度為約3.5微米的ZnSe層。有源層包括一CdSe/ZnSe短周期應變層(short-periodstrained-layer)超晶格層。第二電極為金電極。


圖1為說明根據(jù)本發(fā)明的Ⅱ-Ⅵ族半導體激光二極管結構的剖面圖(未按比例)。
圖2是表示圖1所示的那種激光二極管的損耗因子(a)和光學模式的半最大強度的全寬度(FWHM)(fullwidthathalfmaximumintensity)的積與光導層厚度的函數(shù)關系的曲線。
圖3說明能用于制造本發(fā)明的激光二極管的分子束處延(MBE)系統(tǒng)。
圖4為圖1所示的量子阱層的詳細的橫截面圖。
圖5為快門順序(shuttersequence)的圖解，圖3所示的MBE系統(tǒng)按此順序操作，以制造本發(fā)明的激光二極管的有源層。
圖6是根據(jù)本發(fā)明制造的激光二極管的量子阱的橫截面的高分辨率透射電子顯微照片。
圖1一般地說明本發(fā)明的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體激光二極管10(即，電發(fā)光器件)。激光二極管10包括一短周期應變層超晶格(SPSLS)量子阱層12，該層被由N型ZnSe光導層14和P型ZnSe光導層16形成的ZnSepn結所包覆。如下面更詳細地描述的，量子阱層12是用原子層外延(ALE)和/或遷移增強外延(MEE)生長得到的高效有源層。激光二極管10是在一N型GaAs襯底18上制造出來的，它包括一層位于襯底和導向層14之間的N型ZnSe歐姆接觸層19。一層P型ZnSe歐姆接觸層20覆蓋在P型導向層16之上。一聚酰亞胺層22從與光導層16相對的一面覆蓋在歐姆接觸層20的表面上。
通過金電極24構成與P型歐姆接觸層20的電接觸，金電極形成在絕緣層22上未被覆蓋的長條中。將一薄層鈦層26和最后一層金層28加在絕緣層22上以利于引線鍵合。與激光二極管10的下側的電接觸是由形成在襯底18與n型歐姆接觸層19相對的表面上的銦電極30構成的。
在樣品激光二極管10中，光導層14和接觸層19均用氯摻雜成n型。在這些樣品中，光導層16和歐姆接觸層20均用氮摻雜成P型。下層光導層14摻雜的凈施主濃度是1×1017cm-3，而上層光導層16摻雜的凈受主濃度是2×1017cm-3。樣品器件中的歐姆接觸層19和20均淀積至0.1微米厚。下接觸層19摻雜的凈施方濃度為1×1018cm-3。上接觸層20摻雜的凈受主濃度為1×1018cm-3。
將量子阱有源層12中產(chǎn)生的光導入光導層14和16內，僅由GaAs襯底18和金電極24所包覆。此激光二極管10獲得了良好的光限制(opticalconfinement)和足夠低的損耗，而無需Ⅱ-Ⅵ族半導體包層。用計算機模擬選擇光導層14和16的合適的厚度，這項模擬研究考慮到由光導層14和16形成的ZnSe波導，以及GaAs襯底18和Au電極24的復折射率。在M.R.Ramdas等人的“吸收和泄漏平面波導的分析一種新方法”一文光學通訊Vol.14，p.376(1989)和其中引用的參考文獻公開了這類模擬方法。
圖2為說明所需要的光學模式(對在此描述的樣品為TE偏振)的損耗因子(α)和光學模式的半最大強度的全寬度(FWHM)的積與ZnSe層14和16(圖1)的函數(shù)關系的曲線圖。為了將該器件的閾值電流密度減到最小，應將此乘積降到最小。利用這一設計標準和圖2所示的信息，樣品二極管10中的波導的厚度(即光導層14和16的總厚度)約為3.5微米，在此實施例中，N型光導層14的厚度為2.0微米，P型光導層16的厚度為1.5微米。估計本實施例中由自由載流子吸收和散射造成的損耗為8cm-1。最子阱層12對器件的損耗及光限制特性只有相當小的影響。在上面所述的設計步驟中忽略它的存在。在理論上，總的波導厚度小于2.0微米會導致在襯底18和電極24中產(chǎn)生過量的吸收損耗。厚度為2.5微米時，襯底和電極的吸收損耗為11.7cm-1。另一方面，發(fā)現(xiàn)該光學模式的FWHM幾乎精確地為波導厚度的一半。因此，對于厚度大于6微米的情況，光限性差到單量子阱層12實際上已不能提供足夠的增益來克服上述損耗。最大的模增益與波導模式的FWHM成反比。對于6微米厚的波導，F(xiàn)WHM為約3微米，而單量子阱的模增益可以估算為12cm-1。請參見，例如，N.K.Dutta的文章，應用物理通訊Vol.53，P.72(1982，11)。
圖3是用于制造上面所述的激光二極管樣品的分子束外延(MBE)系統(tǒng)的示例圖。該MBE系統(tǒng)包括一具有高能電子槍58的生長室54、熒光屏60、一襯底加熱器90和一流量監(jiān)視器62。象54這樣的生長室是一般熟知的，并可在市場上得到。
激光二極管10的樣品制造在(100)晶向的摻Si n+型GaAs襯底18上。這類襯底可以由市售獲得。用常規(guī)的或其它已知的工藝清洗和制備襯底12，并在放入生長室54中之前用銦焊料將襯底12安裝到一鉬樣品塊上(圖3中未示出)。
生長室54包括一Zn噴射盒70、一熱解Se噴射盒72、Cd噴射盒76和一標準Se(即，Se6)噴射盒79。如圖所示，熱解Se噴射盒72包括一體蒸發(fā)器84和高溫熱解區(qū)82，它提供熱解Se(包括Se2和其它少于6個原子的Se分子)的源。用于生產(chǎn)樣品激光二極管10的體蒸發(fā)器84和高溫熱解區(qū)82是按常規(guī)設計的，其詳細情況及功用在Cheng等的文章“利用熱解Se源的ZnSe的分子束外延生長”J.Vac.Sci.Technol.，B8，180(1990)中作了描述。使用ZnCl2源材料的Cl噴射盒78提供N型氯摻雜劑。P型摻雜劑由氮游離基(free-radical)源80提供。游離基源80通過泄漏閾88與超純N2的源86相連。制造激光二極管10所用的游離基源80可從英國Oxfordshine的Oxford Applied Research有限公司購得，型號為MPD21。該源的端部的源束流出口板由熱解氮化硼(PBN)制成，其上有9個直徑為0.2毫米的孔。這些源通過一根10英寸的外延管安裝在一噴射盒的標準噴口上。制造激光二極管10所用的N2源86為研究級純的。源86的泄漏閥入口處的壓力為5磅/英寸2。
MBE生長室54按cheng等的文章“P和N型ZnSe的分子束外延生長”(＜晶體生長＞95，512(1989)中所描述的方法工作，用Se6源79作為Se源來分別生長樣品激光二極管10的n型接觸19和光導層14。用原子層外延(ALE)和/或遷移增強外延(MEE)在激光二極管10的光導層14上生長SPSLS量子阱層12。用這些已知技術，按Cd、Zn和Se的順序覆蓋單晶厚度層(即單原子層)形成量子阱層12。量子阱層12的詳細說明示于圖4。在該實施例中，量子阱層12包括在一對相鄰的Zn和Se的原子層之間的相鄰的Cd和Se的原子層。這一結構一般可用下列標志表述〔(CdSe)m(ZnSe)n〕p其中，m、n和p為整數(shù)。
在圖4所示的實施例中，m＝1，n＝2，p＝1。在另一實施例中(未示出)，m＝1，n＝1-5，p＝1-5。由CdSe層的層數(shù)與量子阱層中的總層數(shù)(包括ZnSe和CdSe)的比確定量子阱層12中的Cd當量濃度。量子阱層12的總厚度由各原子層的厚度與生長的原子層的層數(shù)相乘而得到。圖6為樣品激光二極管10的橫截面的高分辨率透射電子顯微照片的分析圖，此激光二極管10具有一周期(P)等于6的SPSLS量子阱，此圖清楚地表示量子阱的原子層結構。
由ALE和/或MEE精確達到量子阱層12的Cd、Zn和Se的原子層的成分和厚度控制。利用這些技術，通過這些順序和定時對原子層生長進行基本控制，Cd、Zn和Se噴射盒76、70和72的開關按此順序和定時分別打開和關斷。用于生長圖4中所示的量子阱12一部分噴射盒開關順序示于圖5。在反應物種類的順序脈沖之間加入一特征延遲時間，以允許再蒸發(fā)過量的反應物。
在150℃并利用熱解的Se(Se2)噴射盒76生長出包括圖4所示那類SPSLS量子阱層的樣品激光二極管10?？扉T順序從Se開關打開開始。在至少淀積一個單原子層(約5秒)之后關斷Se快門。然后在一短暫的延遲(約2秒)后打開Zn快門，以便能蒸發(fā)過量的Se。接著，在至少淀積一原子層的Zn之后(約4秒)關斷Zn快門。在關斷Zn快門和再次打開Se快門之間有一短暫延遲(約1秒)，以便蒸發(fā)稍微過量的Zn。通過交替打開和關斷這些快門來順次淀積重疊的Cd、Se和Zn層而使生長繼續(xù)進行。Cd快門打開約4秒，接著，在再次打開Se快門前延遲約1秒。然后，重復以打開Se快門開始的順序而完成量子阱層12。用于生產(chǎn)這些樣品激光二極管10的量子阱層12的MBE生長室54的其它工作參數(shù)如下Cd束等效壓力1.0×10-7乇＊Zn束等效壓力1.0×10-7乇＊Se熱解區(qū)溫度600℃＊Se體蒸發(fā)器溫度250℃＊＊取決于具體的MBE系統(tǒng)的配置及等離子體源的參數(shù)。
用上述方式在150℃生長出的具有SPSLS量子阱層12的樣品激光二極管10表現(xiàn)出最高的量子效率。不過，具有在直到235℃生長出的SPSLS量子阱層的量子阱測試晶片都表現(xiàn)出良好的特性。對于具有在高達300℃的溫度下生長出的SPSLS量子阱層的測試晶片也觀察到了可以接受的特性?？梢灶A料，在溫度低于150℃時也能生長具有所需特性的器件。
MBE生長室54按Park等的題為“在分子束外延生長中用氮原子束摻雜P型ZnSe”的文章(應用物理通訊，57，2127(1990))中所述的方式操作，用Se6源79生長P型光導層16。
通過在MBE生長室54內使用熱解Se源72(即熱解區(qū)82和蒸發(fā)器84)于低溫下生長接觸層得到了低電阻率P型ZnSe歐姆接觸層20，與此同時，根據(jù)Park等在“在分子束外延生長中用氮原子束摻雜P型ZnSe”一文(應用物理通訊，57(20)1990年11月12日)中所公開的技術摻雜P型接觸層的半導體材料。使用cheng等的“用熱解Se進行分子束外延的ZnSe的低溫生長”一文(應用物理通訊(1990，2))中所描述的低溫生長技術來生產(chǎn)樣品激光二極管10的接觸層20。將襯底18上具有層19、14、12和16的半導體本體加熱至250℃以下但又高到足以促使ZnSe的晶體生長的溫度，該ZnSe至少用P型摻雜劑摻雜到凈受主濃度為1×1017cm-3。當以約150℃的襯底溫度生長時，樣品激光二極管10的歐姆接觸層20中的凈受主濃度達到1×1018cm-3。不過，可以預料，在低到至少為130℃的生長溫度下也能獲得具有可接受特性的歐姆接觸層20。生長這些樣品激光二極管10的歐姆接觸層20所用的MBE生長室54的其它工作參數(shù)如下Zn束等效壓力1.0×10-7乇＊Se熱解區(qū)溫度600℃＊Se體蒸發(fā)器溫度250℃＊生長速率0.3-0.6微米/小時表面重構(reconstruction)Zn穩(wěn)型生長室中的氮壓力＞3.5×10-7乇＊射頻功率150-250W＊＊取決于具體MBE系統(tǒng)的配置和等離子體源的參數(shù)淀積接觸層20之后，從MBE生長室54中取出還沒有完成的激光二極管10。電極24包括真空蒸發(fā)在接觸層20上，用常規(guī)的光刻和剝離工藝成形為條狀(典型寬度為20微米)的金。然后在電極24和接觸層20露出的表面上加上一絕緣層22。因為絕緣物體能在低溫下使用，用聚酰亞胺光刻膠比較好。制造這些樣品激光二極管10時使用了Ciba-Geigy公司的probimide408。通過掩模UV曝光和用制造者所推薦的工藝方法顯影來除去直接粘在電極24上的聚酰亞胺層的條(約20微米寬)，只是顯影后固化(post-development cure)除外。為了固化顯影之后的聚酰亞胺，將器件曝露在從一掩模對準器來的紫外線光線下達到能量1J/cm2，并放在空氣中的熱板上、在120℃下烘焙3分鐘。然后在該Au電極24和聚酰亞胺層22的暴露的表面上蒸發(fā)Ti-Au層26，以利于引線鍵合。MBE襯底焊接所用的In也用作襯底18上的電極30。將該器件相對的兩端沿(110)面理解以形成側面鏡。用MgF2和ZnSe的四層交替的四分之一波長的疊層包覆這些鏡面，以提供90%的反射率。樣品器件的腔長為約1000μm。然后，用注銀環(huán)氧樹脂把激光二極管10的P面(P-side)粘結到陶瓷樣品架上。
本發(fā)明的激光二極管10提供出很多優(yōu)點。比起用常規(guī)MBE生長的隨機合金的量子阱，生長該量子阱層的ALE/MEE技術能夠進行更好的成分控制，并能夠更好地控制量子阱的厚度和發(fā)光效率。由增加的室溫電發(fā)光和光致發(fā)光強度以及較低的激光閾值電流證明了這些特性。盡管這些樣品器件的室溫閾值電流(低至1030A/cm3)不象帶有包層的器件那么低。但這些器件表現(xiàn)出結構較簡單和工作電壓較低(約13V)的優(yōu)點。
上面所述的實施例包括不與襯底晶格匹配的光導層。預計，通過將光導層的晶格參數(shù)與襯底的相匹配，這些器件將會表現(xiàn)出較長的器件壽命和改進的性能。第一和第二光導層可以包括在GaAs襯底上的ZnS0.06Se0.94或Cd0.43Zn0.57S，或In0.04Ga0.96或In0.52Ga0.48P襯底上的ZnSe光導層。光導層也可以由ZnSxSe1-x、CdxZn1-xS、ZnS1-xTex、Zn1-xCdxSe、Zn1-xMgxSySe1-y或CdxZn1-x-yMgyS層構成，這些光導層可與GaAs、AlAs、Gap、AlxGa1-xAs、InxGa1-xAs、InxAl1-xAs、IaxGa1-xP、InxAl1-xP、GaAs1-xPx、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-x-yAlyP、ZnSe或Zn1-xCdxS這樣的襯底晶格匹配。
雖然結合這些選擇的實施例描述了本發(fā)明，本領域的普通技術人員應認識到可以在形式和細節(jié)上作出改變而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。例如，預期制備本申請所披露的樣品激光二極管所用的發(fā)明構思很適合于制備具有由各種各樣的其它Ⅱ-Ⅵ族半導體和合金形成的ALE/MEE有源層和/或導向層的激光二極管。這些Ⅱ-Ⅵ族半導體和合金有ZnSe、ZnTe、ZnSeTe、CdS、CdZnSeTe、MgZnSe、ZnSSe、CdZnS、ZnSTe和CdZnTe。
權利要求
1.一種提供產(chǎn)生光束的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體激光二極管的方法，其特征在于包括一第一種導電類型的單晶半導體襯底；覆蓋在襯底上的第一種導電類型的Ⅱ-Ⅵ族半導體的第一導向層；覆蓋在第一導向層上的Ⅱ-Ⅵ族半導體的單量子阱有源層；覆蓋在有源層上的第二種導電類型的Ⅱ-Ⅵ族半導體的第二導向層，第一和第二導向層形成一pn結；與第一導向層相對地覆蓋在襯底上的第一電極層；與有源層相對地覆蓋在第二導向層上的第二電極層；以及第一和第二導向層的厚度足以使襯底和第二電極把光束約束在有源層和第一、第二導向層內。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中，所述激光二極管的單量子阱有源層包括一CdZnSe層或CdSe/ZnSe短周期應變層超晶格層。
3.根據(jù)權利要求1或2的方法，其中，所述激光二極管的第一和第二導向層包括ZnSe層。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項的方法，其中，所述激光二極管的襯底包括一GaAs襯底。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項的方法，其中，所述激光二極管的第二電極為一Au電極層。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項的方法，其中，所述激光二極管的第一和第二導向層的總厚度在約2微米至6微米之間。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項的方法，其中，襯底包括一GaAs襯底;第一和第二導向層包括總厚度在2微米至6微米之間的ZnSe層;單量子阱有源層包括一CdSe/ZnSe短周期應變層超晶格層;以及第二電極包括一Au電極。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項的方法，其中，所述激光二極管進一步包括在襯底和第一導向層之間的第一種導電類型的第一歐姆接觸層;和在第二導向層和第二電極層之間的第二種導電類型的第二歐姆接觸層。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項的方法，其中，所述激光二極管的第一和第二導向層包括晶格常數(shù)與襯底的晶格常數(shù)互相匹配的層。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項的方法，其中，所述激光二極管的第一和第二導向層包括晶格常數(shù)與襯底的晶格常數(shù)失配的Ⅱ-Ⅵ族半導體層。
全文摘要
一種無半導體包層的單量子阱II-VI族激光二極管，它包括由覆蓋在n型GaAs襯底上的p型和n型光導層。CdSe/ZnSe短周期應變層超晶格單量子阱有源層位于兩導向層之間。Au電極從與單量子阱有源層相反的一方覆蓋在p型導向層之上。導向層的厚度使襯底和Au電極能把器件產(chǎn)生的光束約束在有源層和導向層之間。
文檔編號H01S5/347GK1081026SQ93105938
公開日1994年1月19日 申請日期1993年5月21日 優(yōu)先權日1992年5月22日
發(fā)明者程華, 詹姆斯·M·德普伊特, 邁克爾·A·哈澤, 邱軍 申請人:明尼蘇達州采礦制造公司