无包层单量子阱II-VI族激光二极管

摘要

一种无半导体包层的单量子阱II-VI族激光二极管，它包括由覆盖在n型GaAs衬底上的p型和n型光导层。CdSe/ZnSe短周期应变层超晶格单量子阱有源层位于两导向层之间。Au电极从与单量子阱有源层相反的一方覆盖在p型导向层之上。导向层的厚度使衬底和Au电极能把器件产生的光束约束在有源层和导向层之间。

说明书

本发明涉及Ⅱ-Ⅵ族激光二极管，更具体地说，涉及能在相对低的工作电压下有效地产生高强度光束的Ⅱ-Ⅵ族激光二极管。

由明尼苏达市波尔街上的3M公司开创的研究以公开表明在世界上第一次用Ⅱ-Ⅵ族半导体材料制造出激光二极管而达到顶峰。这些器件在光谱的蓝绿部分的490nm发射相干辐射。这些在Haase等的题为“短波长Ⅱ-Ⅵ族激光二极管”的文章中进行了披露（1991年物理学会会议丛书No.120，pp9-16，GaAs及有关的化合物的学会论文集）。

因而，继续需要改进Ⅱ-Ⅵ族激光二极管工艺。为了达到广泛的商业应用，激光二极管在结构上必须相当简单，并且制造成本不能昂贵，这些器件还必须能在相对低的电压下工作。

本发明是一种能在相对低的电压下有效地产生高强度光束的Ⅱ-Ⅵ族激光二极管。该器件在结构上相当简单，制造成本亦不昂贵，因为它不包括为约束激光束而提供的半导体包层。

在一个实施例中，激光二极管包括一第一种导电类型的单晶半导体衬底。第一种导电类型的Ⅱ-Ⅵ族半导体构成的第一导向层覆盖住衬底。由Ⅱ-Ⅵ族半导体构成的单量子阱有源层覆盖在第一导向层上。由第二种导电类型的Ⅱ-Ⅵ族半导体构成的第二导向层覆盖在有源层上，并与第一导向层形成一pn结。第一电极层从与第一导向层相对的一方覆盖住衬底，而第二电极层从与有源层相对的一方覆盖住第二导向层。第一和第二导向层的厚度要使衬底和第二电极能将光束限定在有源层和第一、第二导向层内。

在另一个实施例中，衬底包括一GaAs衬底。第一和第二导向层包括组合厚度为约3.5微米的ZnSe层。有源层包括一CdSe/ZnSe短周期应变层（short-period    strained-layer）超晶格层。第二电极为金电极。

图1为说明根据本发明的Ⅱ-Ⅵ族半导体激光二极管结构的剖面图（未按比例）。

图2是表示图1所示的那种激光二极管的损耗因子（a）和光学模式的半最大强度的全宽度（FWHM）（full    width    at    half    maximum    intensity）的积与光导层厚度的函数关系的曲线。

图3说明能用于制造本发明的激光二极管的分子束处延（MBE）系统。

图4为图1所示的量子阱层的详细的横截面图。

图5为快门顺序（shutter    sequence）的图解，图3所示的MBE系统按此顺序操作，以制造本发明的激光二极管的有源层。

图6是根据本发明制造的激光二极管的量子阱的横截面的高分辨率透射电子显微照片。

图1一般地说明本发明的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体激光二极管10（即，电发光器件）。激光二极管10包括一短周期应变层超晶格（SPSLS）量子阱层12，该层被由N型ZnSe光导层14和P型ZnSe光导层16形成的ZnSe    pn结所包覆。如下面更详细地描述的，量子阱层12是用原子层外延（ALE）和/或迁移增强外延（MEE）生长得到的高效有源层。激光二极管10是在一N型GaAs衬底18上制造出来的，它包括一层位于衬底和导向层14之间的N型ZnSe欧姆接触层19。一层P型ZnSe欧姆接触层20覆盖在P型导向层16之上。一聚酰亚胺层22从与光导层16相对的一面覆盖在欧姆接触层20的表面上。

通过金电极24构成与P型欧姆接触层20的电接触，金电极形成在绝缘层22上未被覆盖的长条中。将一薄层钛层26和最后一层金层28加在绝缘层22上以利于引线键合。与激光二极管10的下侧的电接触是由形成在衬底18与n型欧姆接触层19相对的表面上的铟电极30构成的。

在样品激光二极管10中，光导层14和接触层19均用氯掺杂成n型。在这些样品中，光导层16和欧姆接触层20均用氮掺杂成P型。下层光导层14掺杂的净施主浓度是1×10¹⁷cm^-3，而上层光导层16掺杂的净受主浓度是2×10¹⁷cm^-3。样品器件中的欧姆接触层19和20均淀积至0.1微米厚。下接触层19掺杂的净施方浓度为1×10¹⁸cm^-3。上接触层20掺杂的净受主浓度为1×10¹⁸cm^-3。

将量子阱有源层12中产生的光导入光导层14和16内，仅由GaAs衬底18和金电极24所包覆。此激光二极管10获得了良好的光限制（optical    confinement）和足够低的损耗，而无需Ⅱ-Ⅵ族半导体包层。用计算机模拟选择光导层14和16的合适的厚度，这项模拟研究考虑到由光导层14和16形成的ZnSe波导，以及GaAs衬底18和Au电极24的复折射率。在M.R.Ramdas等人的“吸收和泄漏平面波导的分析：一种新方法”一文光学通讯Vol.14，p.376（1989）和其中引用的参考文献公开了这类模拟方法。

图2为说明所需要的光学模式（对在此描述的样品为TE偏振）的损耗因子（α）和光学模式的半最大强度的全宽度（FWHM）的积与ZnSe层14和16（图1）的函数关系的曲线图。为了将该器件的阈值电流密度减到最小，应将此乘积降到最小。利用这一设计标准和图2所示的信息，样品二极管10中的波导的厚度（即光导层14和16的总厚度）约为3.5微米，在此实施例中，N型光导层14的厚度为2.0微米，P型光导层16的厚度为1.5微米。估计本实施例中由自由载流子吸收和散射造成的损耗为8cm^-1。最子阱层12对器件的损耗及光限制特性只有相当小的影响。在上面所述的设计步骤中忽略它的存在。在理论上，总的波导厚度小于2.0微米会导致在衬底18和电极24中产生过量的吸收损耗。厚度为2.5微米时，衬底和电极的吸收损耗为11.7cm^-1。另一方面，发现该光学模式的FWHM几乎精确地为波导厚度的一半。因此，对于厚度大于6微米的情况，光限性差到单量子阱层12实际上已不能提供足够的增益来克服上述损耗。最大的模增益与波导模式的FWHM成反比。对于6微米厚的波导，FWHM为约3微米，而单量子阱的模增益可以估算为12cm^-1。请参见，例如，N.K.Dutta的文章，应用物理通讯Vol.53，P.72（1982，11）。

图3是用于制造上面所述的激光二极管样品的分子束外延（MBE）系统的示例图。该MBE系统包括一具有高能电子枪58的生长室54、荧光屏60、一衬底加热器90和一流量监视器62。象54这样的生长室是一般熟知的，并可在市场上得到。

激光二极管10的样品制造在（100）晶向的掺Si n⁺型GaAs衬底18上。这类衬底可以由市售获得。用常规的或其它已知的工艺清洗和制备衬底12，并在放入生长室54中之前用铟焊料将衬底12安装到一钼样品块上（图3中未示出）。

生长室54包括一Zn喷射盒70、一热解Se喷射盒72、Cd喷射盒76和一标准Se（即，Se₆）喷射盒79。如图所示，热解Se喷射盒72包括一体蒸发器84和高温热解区82，它提供热解Se（包括Se₂和其它少于6个原子的Se分子）的源。用于生产样品激光二极管10的体蒸发器84和高温热解区82是按常规设计的，其详细情况及功用在Cheng等的文章“利用热解Se源的ZnSe的分子束外延生长”J.Vac.Sci.Technol.，B8，180（1990）中作了描述。使用ZnCl₂源材料的Cl喷射盒78提供N型氯掺杂剂。P型掺杂剂由氮游离基（free-radical）源80提供。游离基源80通过泄漏阈88与超纯N₂的源86相连。制造激光二极管10所用的游离基源80可从英国Oxfordshine的Oxford>2源86为研究级纯的。源86的泄漏阀入口处的压力为5磅/英寸²。

MBE生长室54按cheng等的文章“P和N型ZnSe的分子束外延生长”（＜晶体生长＞95，512（1989）中所描述的方法工作，用Se₆源79作为Se源来分别生长样品激光二极管10的n型接触19和光导层14。用原子层外延（ALE）和/或迁移增强外延（MEE）在激光二极管10的光导层14上生长SPSLS量子阱层12。用这些已知技术，按Cd、Zn和Se的顺序覆盖单晶厚度层（即单原子层）形成量子阱层12。量子阱层12的详细说明示于图4。在该实施例中，量子阱层12包括在一对相邻的Zn和Se的原子层之间的相邻的Cd和Se的原子层。这一结构一般可用下列标志表述：

〔（CdSe）_m（ZnSe）_n〕_p

其中，m、n和p为整数。

在图4所示的实施例中，m＝1，n＝2，p＝1。在另一实施例中（未示出），m＝1，n＝1-5，p＝1-5。由CdSe层的层数与量子阱层中的总层数（包括ZnSe和CdSe）的比确定量子阱层12中的Cd当量浓度。量子阱层12的总厚度由各原子层的厚度与生长的原子层的层数相乘而得到。图6为样品激光二极管10的横截面的高分辨率透射电子显微照片的分析图，此激光二极管10具有一周期（P）等于6的SPSLS量子阱，此图清楚地表示量子阱的原子层结构。

由ALE和/或MEE精确达到量子阱层12的Cd、Zn和Se的原子层的成分和厚度控制。利用这些技术，通过这些顺序和定时对原子层生长进行基本控制，Cd、Zn和Se喷射盒76、70和72的开关按此顺序和定时分别打开和关断。用于生长图4中所示的量子阱12一部分喷射盒开关顺序示于图5。在反应物种类的顺序脉冲之间加入一特征延迟时间，以允许再蒸发过量的反应物。

在150℃并利用热解的Se（Se₂）喷射盒76生长出包括图4所示那类SPSLS量子阱层的样品激光二极管10。快门顺序从Se开关打开开始。在至少淀积一个单原子层（约5秒）之后关断Se快门。然后在一短暂的延迟（约2秒）后打开Zn快门，以便能蒸发过量的Se。接着，在至少淀积一原子层的Zn之后（约4秒）关断Zn快门。在关断Zn快门和再次打开Se快门之间有一短暂延迟（约1秒），以便蒸发稍微过量的Zn。通过交替打开和关断这些快门来顺次淀积重叠的Cd、Se和Zn层而使生长继续进行。Cd快门打开约4秒，接着，在再次打开Se快门前延迟约1秒。然后，重复以打开Se快门开始的顺序而完成量子阱层12。用于生产这些样品激光二极管10的量子阱层12的MBE生长室54的其它工作参数如下：

Cd束等效压力：1.0×10^-7乇^＊

Zn束等效压力：1.0×10^-7乇^＊

Se热解区温度：600℃^＊

Se体蒸发器温度：250℃^＊

＊取决于具体的MBE系统的配置及等离子体源的参数。

用上述方式在150℃生长出的具有SPSLS量子阱层12的样品激光二极管10表现出最高的量子效率。不过，具有在直到235℃生长出的SPSLS量子阱层的量子阱测试晶片都表现出良好的特性。对于具有在高达300℃的温度下生长出的SPSLS量子阱层的测试晶片也观察到了可以接受的特性。可以预料，在温度低于150℃时也能生长具有所需特性的器件。

MBE生长室54按Park等的题为“在分子束外延生长中用氮原子束掺杂P型ZnSe”的文章（应用物理通讯，57，2127（1990））中所述的方式操作，用Se₆源79生长P型光导层16。

通过在MBE生长室54内使用热解Se源72（即热解区82和蒸发器84）于低温下生长接触层得到了低电阻率P型ZnSe欧姆接触层20，与此同时，根据Park等在“在分子束外延生长中用氮原子束掺杂P型ZnSe”一文（应用物理通讯，57（20）1990年11月12日）中所公开的技术掺杂P型接触层的半导体材料。使用cheng等的“用热解Se进行分子束外延的ZnSe的低温生长”一文（应用物理通讯（1990，2））中所描述的低温生长技术来生产样品激光二极管10的接触层20。将衬底18上具有层19、14、12和16的半导体本体加热至250℃以下但又高到足以促使ZnSe的晶体生长的温度，该ZnSe至少用P型掺杂剂掺杂到净受主浓度为1×10¹⁷cm^-3。当以约150℃的衬底温度生长时，样品激光二极管10的欧姆接触层20中的净受主浓度达到1×10¹⁸cm^-3。不过，可以预料，在低到至少为130℃的生长温度下也能获得具有可接受特性的欧姆接触层20。生长这些样品激光二极管10的欧姆接触层20所用的MBE生长室54的其它工作参数如下：

Zn束等效压力：1.0×10^-7乇^＊

Se热解区温度：600℃^＊

Se体蒸发器温度：250℃^＊

生长速率：0.3-0.6微米/小时

表面重构（reconstruction）：Zn稳型

生长室中的氮压力：＞3.5×10^-7乇^＊

射频功率：150-250W＊

＊取决于具体MBE系统的配置和等离子体源的参数

淀积接触层20之后，从MBE生长室54中取出还没有完成的激光二极管10。电极24包括真空蒸发在接触层20上，用常规的光刻和剥离工艺成形为条状（典型宽度为20微米）的金。然后在电极24和接触层20露出的表面上加上一绝缘层22。因为绝缘物体能在低温下使用，用聚酰亚胺光刻胶比较好。制造这些样品激光二极管10时使用了Ciba-Geigy公司的probimide408。通过掩模UV曝光和用制造者所推荐的工艺方法显影来除去直接粘在电极24上的聚酰亚胺层的条（约20微米宽），只是显影后固化（post-development cure）除外。为了固化显影之后的聚酰亚胺，将器件曝露在从一掩模对准器来的紫外线光线下达到能量1J/cm²，并放在空气中的热板上、在120℃下烘焙3分钟。然后在该Au电极24和聚酰亚胺层22的暴露的表面上蒸发Ti-Au层26，以利于引线键合。MBE衬底焊接所用的In也用作衬底18上的电极30。将该器件相对的两端沿（110）面理解以形成侧面镜。用MgF₂和ZnSe的四层交替的四分之一波长的叠层包覆这些镜面，以提供90%的反射率。样品器件的腔长为约1000μm。然后，用注银环氧树脂把激光二极管10的P面（P-side）粘结到陶瓷样品架上。

本发明的激光二极管10提供出很多优点。比起用常规MBE生长的随机合金的量子阱，生长该量子阱层的ALE/MEE技术能够进行更好的成分控制，并能够更好地控制量子阱的厚度和发光效率。由增加的室温电发光和光致发光强度以及较低的激光阈值电流证明了这些特性。尽管这些样品器件的室温阈值电流（低至1030A/cm³）不象带有包层的器件那么低。但这些器件表现出结构较简单和工作电压较低（约13V）的优点。

上面所述的实施例包括不与衬底晶格匹配的光导层。预计，通过将光导层的晶格参数与衬底的相匹配，这些器件将会表现出较长的器件寿命和改进的性能。第一和第二光导层可以包括在GaAs衬底上的ZnS_0.06Se_0.94或Cd_0.43Zn_0.57S，或In_0.04Ga_0.96或In_0.52Ga_0.48P衬底上的ZnSe光导层。光导层也可以由ZnS_xSe_1-x、Cd_xZn_1-xS、ZnS_1-xTe_x、Zn_1-xCd_xSe、Zn_1-xMg_xS_ySe_1-y或Cd_xZn_1-x-yMg_yS层构成，这些光导层可与GaAs、AlAs、Gap、Al_xGa_1-xAs、In_xGa_1-xAs、In_xAl_1-xAs、Ia_xGa_1-xP、In_xAl_1-xP、GaAs_1-xP_x、In_xGa_1-x-yAl_yAs、In_xGa_1-x-yAl_yP、ZnSe或Zn_1-xCd_xS这样的衬底晶格匹配。

虽然结合这些选择的实施例描述了本发明，本领域的普通技术人员应认识到可以在形式和细节上作出改变而不偏离本发明的精神和范围。例如，预期制备本申请所披露的样品激光二极管所用的发明构思很适合于制备具有由各种各样的其它Ⅱ-Ⅵ族半导体和合金形成的ALE/MEE有源层和/或导向层的激光二极管。这些Ⅱ-Ⅵ族半导体和合金有ZnSe、ZnTe、ZnSeTe、CdS、CdZnSeTe、MgZnSe、ZnSSe、CdZnS、ZnSTe和CdZnTe。