專利名稱：藍-綠激光二極管的制作方法
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 Devices”)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，紅外和紅激光二極管產(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，利用電子束抽運技術(shù)和若干個Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體中的激光作用已得到驗證。在Colak等人著的《電子束抽運Ⅱ-Ⅵ激光器》晶體生長雜志72，504(1980)(Electron Beam Pumed Ⅱ-ⅥLasers，J.Crystal 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)體材料的光抽運和電子束抽運的激光作用的實驗。例如參見Dott等人著的《在利用分子束外延生長ZnSe中的電子束抽運產(chǎn)生激光》應(yīng)用物理通訊，50，7(1987)(Electron Beam Pumped Lasing In ZnSe Crown By Molecular-Beam Epitaxy，Appl Phys Lett.50，7(1987))和Ding等人著的《光抽運(Zn，Dd)Se/ZnSe單一量子阱結(jié)構(gòu)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 Well 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-trpe ZnSe By Nitrogen Atom Beam Doping During Molecular Beam Epitaxial Growth，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。
寬帶隙Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體系統(tǒng)的研究是很成熟的，即，在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)。生產(chǎn)商業(yè)上可行的Ⅱ-Ⅵ器件的許多主要障礙被認為是該項工作的結(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》5257(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-Jype ZnSe By Nitrogen Atom Ceam Doping During Molecular Beam Epitaxial 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(1990)(Low Temperature Growth of ZnSe By Molecular Beam 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)生歐姆金屬-半導(dǎo)體接觸的傳統(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雜淺(能級)雜質(zhì)。由于勢壘高度很低和在半導(dǎo)體層中的高摻雜程度，因而勢壘非常薄，以至通過勢壘的載流子隧穿變的極為顯著。在所有的商業(yè)上可行的半導(dǎo)體器和集成電路中的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)和非常高的摻雜級別不能用于這些半導(dǎo)體。這些困難的一個例外是ZnTe，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)。


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和類似的結(jié)合到圖1中所示的激光二極管的材料的歐姆接觸的Ⅰ-Ⅴ特性曲線。
圖4為與結(jié)合到圖1所示的激光二極管相似的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電流為函數(shù)的測量的光功率輸出。
圖6(a)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。
圖6(b)為測到的以波長為函數(shù)的從圖1所示激光二極管中輸出的受激輻射光輸出強度曲線。
圖6(c)為圖6(b)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為與結(jié)合到圖1所示的激光二極管中的使用的相似的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)明用于摻雜半導(dǎo)體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1/C2與用于最佳實施例的詳細描述中描述的半導(dǎo)體樣本的偏壓關(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)。
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。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，并且分別包括較下的(第一)和較上的(第二)ZnSe光導(dǎo)層14和16，由Cd1-yZnySe量子阱激活層18隔開。相對于激活層18的光導(dǎo)層14和16的表面分別被較下的和較上的ZnSxSe1-x覆蓋層20和22所封住。一個較下的ZnSe歐姆接觸層24位于與光導(dǎo)層14相對的較下的覆蓋層20的表面上，而一個較上的ZnSe歐姆接觸層26位于與光導(dǎo)層16相對的較上的覆蓋層22的表面上。一個GaAs緩沖層28將襯底12與較下的ZnSe接觸層24隔開以確保接觸層和以后淀積的各層具有較高的晶體質(zhì)量。一個聚酰亞胺絕緣層34覆蓋在與較上的覆蓋層22相對的較上的歐姆接觸層26的表面上。與歐姆接觸層26的電氣接觸是通在絕緣層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較下的歐姆接觸層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，較下面的光導(dǎo)層14被摻雜成凈施主濃度為1×1017cm-3，而較上的光導(dǎo)層16被摻雜成凈受主濃度為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。較下面的覆蓋層的凈施主濃度為1×1018cm-3較上的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。較下面的接觸層被摻雜成n型且凈施主濃度為1×1018cm-3。較上面的接觸層被摻雜成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，瞬失拖尾(evanecent tails)將會延伸進入覆蓋層20和22。層20和22必須足夠厚以使得在襯底12和電極32光學模的吸收微乎其微。x大約為0.2的CdxZn1-xSe的組成被選擇，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。同時在提供適合的高質(zhì)量表面用于生長Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體的同時，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及相鄰的ZnSe層24、14及16、26的晶格常數(shù)失配分別為大約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ZnSe覆蓋層20和22的交界面形成的位錯而被至少部分地松弛了。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的光發(fā)光區(qū)，量子阱激活層18是假晶的最小位錯。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，載于晶體生長雜志27卷118頁(1974)(Defects in EPitaxal Maltilayers，J.Crystal Growth，Vol27，P118(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2022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)層的組成可以形成梯度，以使位錯最小，和/或形成一個梯度折射率波導(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相連的MBE倉室52和54。每個倉室52和54包括一個高能電子槍58，磷熒光屏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-Elmer 430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并且包括一個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》(Molecalar-Beam EPitaxy Growth of ZnSe Using A Gacked Selenium Source，J.Vac.Sci Techrol.BB，181(1990))中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》(Techology and 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摻雜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)可觀察到其顯示的一個C(4×4)重現(xiàn)。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(礦為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，裂化的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Cl n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面是由熱解氮化硼(PBN)制成的并且有9個直徑為0.2mm的孔穿過它。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 Moldcular Beam Epitaxy，J Crystal Growth 95，513(1989))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，覆蓋和光導(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 Alloys Zn1-xCdxSe and Cd1-xMnxSe，J.Electronic Materials，Vol19，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摻雜ⅡB-ⅥA半導(dǎo)體》(Doping of ⅡB-ⅥA Semiconductors During Molecular Beam Epitaxy)(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，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)。一個擴散層具有18個大約0.3mm直徑的孔，每個都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功率的級別以及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薄層被生長在拋光良好的具有表面正常矢量沿著〔001〕晶向的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 Electric Indastries，Ltd.1-1 Koyakita1-Chome，Itami，Hyogo，664 Japan)，也有供應(yīng)GaAs外延層的，例如Spire公司(Spire Corporation，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。脫脂的襯底被放含有6份硫酸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樣本塊上。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)，在其上具有同樣晶體結(jié)構(gòu)的ZnSe將要生長。通過分子束外延ZnSe的典型生長環(huán)境為Zn與Se束的等壓比1∶2(在1∶4到2∶1的范圍內(nèi))，生長溫度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線的機械節(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(Es≈2.67ev室溫)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)明利用一種方法和裝置用于包括ZnSePn結(jié)的外延結(jié)構(gòu)的就地生產(chǎn)。這在制造有效率的發(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 Helm Street，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 Fifth Street，St.Paul，Minnesota 55101買到)都可被使用。
ZnSe層在這里所描述的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275℃Zn與Se束等壓比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型摻雜是通過結(jié)合到分子束外延倉內(nèi)的自由基源，而不是傳統(tǒng)的噴射源取得的。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)氮流量強度可通過適當?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ZnSe中記錄的10K光致發(fā)光(PL)光譜而得到證明。如圖10(a)所示，只用N2流從ZnSe層生長中記錄的10K PL光譜(在該情況，在分子束外延倉中一個5×10-7乇的N2的平衡背景壓力被保持)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“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)轉(zhuǎn)變，由于ZnSe和GaAs之間熱膨脹系數(shù)失配的裂化，它使ZnSe層受內(nèi)平面雙軸張力(參見K.Shahzed，D.J.Olego，D.A.Cammack，在“物理周刊”B39 13016(1989)中的描述)。結(jié)果，由于如此低的背景N2分壓力，分子氮在ZnSe表面為完全惰性。但是如圖10(b)的10K光譜所示，當在自由基源產(chǎn)生等離子放電時，這種情況產(chǎn)生了戲劇性的變化。伴隨加到RF等離子放電的功率在分子束外延倉中背景N2分壓力在生長過程中為5×107乇。激子態(tài)取決于因為氮受主雜質(zhì)的摻雜的裂化的受主結(jié)合激子(INI)轉(zhuǎn)變(參見P.S.Dean W.Stutius，G.F.Neumark，B.J.Fitzpatrick，及R.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)轉(zhuǎn)變(QNO)代表非聲子轉(zhuǎn)變，若干QNO的LO聲子轉(zhuǎn)變也被指出)決定與激子轉(zhuǎn)變相反。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)具有凈受主濃度為1×1017cm-3。
利用電容-電壓(C-V)分布可測定在摻雜氮的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。表面接點圖形由一系列直徑為762μm的Cr/Au點組成與一個較上的Cr/Au電極物理地隔開。在內(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。接觸圖形通過熱蒸發(fā)75A的Cr，然后1000A的Au并進行光刻和卸下過程。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)濃度與1/C2與V的曲線斜率成比例。從重摻雜的ZnSe層得到1/C2針對V的曲線及NA-ND針對耗盡寬度斷面分別在圖11(a)和圖11(b)中顯示出，該材料的P型并具有的受主濃度大約為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偏置(0.068μm)直至反偏擊穿發(fā)生(1.126μm)，摻雜分布是相當平坦的。在該摻雜級別即3.4×1017cm-3P型的ZnSe材料中，在3.8V擊穿發(fā)生，其為持續(xù)的雪崩擊穿。
摻雜氮的ZnSe材料的P型性質(zhì)的進一步的證明可通過制造的外延生長ZnSe∶N/ZnSe∶ClPn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作為摻雜質(zhì)生長的，Cl原子源的結(jié)合到分子束外延系統(tǒng)中的ZnCl2噴射槽。
許多利用分子束外延法生長的ZnSe樣被測試。結(jié)果如下1.未摻雜的ZnSeZn相對于Se束等壓力比1∶2生長溫度275℃結(jié)果低溫光致發(fā)光光譜表明的樣本不是P型。C-V測試表明的樣本是絕緣的。
2.利用未對自由基源加RF功率的N2摻雜ZnSeZn相對于Se束等壓力比1∶2生長溫度275℃RF功率OW背景壓力5×10-7乇結(jié)果光致發(fā)光光譜表明的樣本不是P型。
C-V測試表明的樣本是絕緣的。
3.利用對自由基加RF功率的N2摻雜的ZnSeZn相對于Se束等壓力比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-電壓測試表明樣本為P型。NP/NA≤0.8(高摻雜效率)及NANA-ND＝3.4×1017cm-3。
4.利用對自由基源加RF功率的O2摻雜ZnSeZn相對Se束等壓力比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-電壓測試表明樣本為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ZnSeCl摻雜層140沉積在P型ZnSe層138之上。一個n+ZnSe蓋層142沉積在n型ZnSe層140之上。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具有厚度為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)避免了和與歐姆接觸形成到P型ZnSe的有關(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)用物理通識”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)通電壓觀察與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)狀并利用真空蒸發(fā)和刻蝕形成。超聲金球鍵合(Uttrasonic gold bzll bording)被用來產(chǎn)生與器件的接觸。實現(xiàn)電致發(fā)光特性。
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。在光譜中的兩個最高的能量峰值緊密對應(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紅外輻射844nm(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P型或n型器件，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具有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。在分子束外延生長過程中自由基源被引入分子束外延生長倉為ⅥA半導(dǎo)體提供摻雜質(zhì)。自由基源可以是氮、磷、砷和銻。氧由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，較下面的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/ZnSe For 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)生長接觸層同時，按照本發(fā)明將該接觸的半導(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《來用分子束外延法利用裂化的Se低溫生長ZnSe》(Low Temperatare Grouth of Znse By Moleculor BeamEpitaxy 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的半導(dǎo)體本體被加熱到溫度小于250℃，但高到足以使摻雜有N的P型摻雜質(zhì)的ZnSe的晶體生長達到凈受主濃度為1×1017cm-3。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金屬電極的電流-電壓特性。該接觸的歐姆特性由該曲線在-6～+6V范圍以上的線性性質(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，是相對較深的(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)能級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，EA為受主能。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取得。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)可以用來摻雜可以產(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也可以通過引入適當?shù)钠襟w晶體缺陷如進入接觸層26的位錯，空位，間隙或復(fù)合但不局限于此。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)顯示出可產(chǎn)生這些材料特性(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)缺陷帶的出現(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)的轉(zhuǎn)變有關(guān)。沒有或最小的施主態(tài)將是較佳的以消除這種轉(zhuǎn)變，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倉中54取出。電極30含有Au，是通過真空蒸發(fā)到接觸層26之上并使用傳統(tǒng)光刻和去除工藝形成條狀(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Probimide 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)面切開形成平面鏡。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橫向約束而得到。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相似并可以用同樣的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′”)表示。在所示的實施例中，激光器10′在覆蓋層22′和接觸層26′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5μm的寬度。傳統(tǒng)的光阻層與用于為此目的的掩膜。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端平面介質(zhì)涂覆調(diào)整反射率而取得。
這種原型激光二極管10的初始測試是77K通過向器件施加脈沖進行的，典型的是500ns脈沖周期為500μs。電流測量利用一個廂車平均器進行，同時使用一個大型Si光探測器收集和監(jiān)視來自器件一個端面的輸出光強。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。每面超過20%的微分量子效率被測量到。因為具有大于100mV每面的脈動輸出功率。相干光是強烈TE極化的并且一個“花紋圖樣”清晰可見。輸出的激光束具有一個橢園遠場圖樣，對于中心波辨具大約40×4°的發(fā)散度。側(cè)波辨是可見的，表明較高級別的橫模。
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，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。這些特性系由折射率引導(dǎo)形式如激光二極管10′而得到減輕。
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SPEX 1403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的許很縱模中，并且間隔0.03nm。
在溫度高到200K的情況下，在原型激光二極管10中在較短時間內(nèi)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。
厚型激光二極管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(即通過焊劑結(jié)合P型邊側(cè)向下(P-type side down))是所希望的以便于在高溫下CW操作。
可以予料，這里披露的并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合金的激光二極管。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。在該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Ⅱ-Ⅵ合金如ZnS ZnSe1-xTex，CdxZn1-xSe和HgxZn1-xSe的薄層來進行改進。Ⅵ族除Se2以外的源也可用于產(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。總之，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
1.一種由重疊的材料層形成的Ⅱ-Ⅵ化合物半導(dǎo)體激光二極管，包括第一導(dǎo)類型的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體第一引導(dǎo)層；相鄰第一引導(dǎo)層的第二導(dǎo)電類型的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體第二引導(dǎo)層第一引導(dǎo)層和第二引導(dǎo)層形成一個Pn結(jié)；在第一和第二引導(dǎo)層之間的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體的量子阱激活層；與第二引導(dǎo)層相反與第一引導(dǎo)層相對的第一導(dǎo)電類型的單晶體半導(dǎo)體襯底；與第一引導(dǎo)層相反與襯底相對的第一電極；以及與第一引導(dǎo)層相反與第二引導(dǎo)層相對的第二電極。
2.如權(quán)利要求1的激光二極管，其中的量子阱激活層包括一個應(yīng)變假晶半導(dǎo)體層。
3.如權(quán)利要求1的激光二極管，其中的量子阱激活層包括一個多重量子阱激活層。
4.如權(quán)利要求2的激光二極管，其中的量子阱激活層包括一個CdZnSe層。
5.如權(quán)利要求4的激光二極管，其中第一和第二引導(dǎo)層包括ZnSe層。
6.如權(quán)利要求5的激光二極管，其中的襯底包括一個GaAs襯底。
7.如權(quán)利要求5的激光二極管，其中的襯底包括一個ZnSe襯底。
8.如權(quán)利要求1的激光二極管，進一步包括在襯底和第一引導(dǎo)層之間的第一導(dǎo)電類型的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體的第一覆蓋層;在第二引導(dǎo)層和第二電極之間的第二導(dǎo)電類型的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體的第二覆蓋層。
9.如權(quán)利要求8的激光二極管，其中第一和第二覆蓋層包括ZnSxSel-x層，其中x大約為0.07;以及襯底包括一個GaAs襯底。
10.如權(quán)利要求8的激光二極管，其中第一和第二覆蓋層包括CdxZn1-xS層，其中x大約為0.6;以及襯底包括一個GaAs襯底。
11.如權(quán)利要求8的激光二極管，其中第一和第二覆蓋層包括CdZnS層;以及襯底包括一個ZnSe襯底。
12.用于產(chǎn)生對P型Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體本體歐姆接觸的方法，包括在分子束外延倉內(nèi)放入P型Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體本體;向倉內(nèi)濺射至少一個Ⅱ族源;向倉內(nèi)濺射至少一個Ⅵ族源Xm，m＜6;向倉內(nèi)射入至少一種自由基作為P型摻雜劑;將半導(dǎo)體本體加熱到小于250℃但高到足以促進摻雜自由基P型摻雜質(zhì)到凈受主濃度至少為1×1017cm-3的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體層的晶體生長;以及在半導(dǎo)體本體上生長摻雜自由基P型摻雜質(zhì)到凈受主濃度至少為1×1017cm-3的晶體Ⅱ-Ⅵ歐姆接觸層。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中將半導(dǎo)體本體的加熱包括半導(dǎo)體本體加熱到其溫度高到足以促進摻雜自由基P型摻雜質(zhì)到凈受主濃度至少為1×1018cm-3的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體層的晶體生長。
14.如權(quán)利要求12的方法，其中對半導(dǎo)體本體的加熱包括將半導(dǎo)體本體的溫度加熱到大約130℃到200℃之間。
15.如權(quán)利要求12的方法，還包括濺射Ⅵ族源包括濺射Sem，其中m＜6;濺射Ⅱ族源包括濺射Zn;以及濺射自由基P型摻雜質(zhì)包括濺射V族自由基。
16.如權(quán)利要求15的方法，其中濺射Ⅵ族源包括濺射熱裂化的Se。
17.如權(quán)利要求15的方法，其中濺射Ⅴ族自由基P型摻雜質(zhì)包括濺射來自包括氮、砷和磷組成的組當中的自由基。
18.如權(quán)利要求17的方法，其中濺射自由基P型摻雜質(zhì)包括濺射氮自由基。
19.如權(quán)利要求12的方法，還包括在歐姆接觸層沉積導(dǎo)電材料層。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中在歐姆接觸層上沉積導(dǎo)電材料層包括沉積具有逸出功＞5ev的導(dǎo)電材料層。
21.如權(quán)利要求20的方法，其中在歐姆接觸層上沉積導(dǎo)電材料層包括沉積金屬層。
22.用于Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體的歐姆接觸，包括P型Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體器件層;在器件層的第一側(cè)的P型Ⅱ-Ⅵ族晶體半導(dǎo)體接觸層;在接觸層上，特征在于費米能量的導(dǎo)電電極層;以及接觸層摻雜具有淺受主能量的淺受主，達到凈受主濃度為1×1017cm-3，并且在淺受主能和電極層費米能之間包括包括足夠的深能態(tài)以能夠發(fā)生電荷載流子串級隧穿。
23.如權(quán)利要求22的P型歐姆接觸，其中接觸層用淺受主摻雜，取得凈受主濃度至少為1×1018cm-3。
24.如權(quán)利要求23的P型歐姆接觸，其中接觸層用氮淺受主摻雜。
25.如權(quán)利要求24的P型歐姆接觸，其中用氮摻雜達到濃度為1×1019cm-3。
26.如權(quán)利要求22的P型歐姆接觸，其中半導(dǎo)體器件層包括一個ZnSe半導(dǎo)體層。
27.如權(quán)利要求22的P型歐姆接觸，其中電極層包括一個具有逸出功至少為5ev的材料層。
28.如權(quán)利要求27所述的P型歐姆接觸，其中的電極層包括一個金屬層。
全文摘要
一種II—VI化合物半導(dǎo)體激光二極管10，是通過疊加多層材料而形成的，材料包括N型單晶半導(dǎo)體襯底12，相鄰的N型和P型II—VI半導(dǎo)體引導(dǎo)層14和16形成PN結(jié)，引導(dǎo)層14和16之間II—VI半導(dǎo)體量子阱激活層18，與N型引導(dǎo)層14相反的相對于襯底12的第一電極32，與量子阱層18相反的相對于P型引導(dǎo)層16的第二電極30。
文檔編號H01S5/22GK1066936SQ9210357
公開日1992年12月9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 申請人:明尼蘇達州采礦制造公司