生长激光二极管中量子阱的分子束外延系统的操作方法技术方案

用原子层外延（ＡＬＥ）和／或迁移增强外延（ＭＥＥ）生长Ⅱ－Ⅵ族激光二极管的高效率量子阱的方法。激光二极管衬底和初始生长层在ＭＢＥ生长室内被加热至小于或等于约２００℃的温度。Ｃｄ、Ｚｎ和Ｓｅ被交替注入生长室以生长短周期应变层超晶格（ＳＰＳＬＳ）量子阱层，其中包含重叠的Ｃｄ、Ｚｎ和Ｓｅ单原子层。量子阱层用式［（ＣｄＳｅ）↓［ｍ］（ＺｎＳｅ）↓［ｎ］］↓［ｐ］表述，其中ｍ、ｎ和ｐ为整数。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及Ⅱ-Ⅵ族激光二极管量子阱层的分子束外延方法的改进。由明尼苏达波尔街的3M公司开创的研究以公布世界上第一只用Ⅱ-Ⅵ族半导体材料制造的激光二极管而达到顶峰。这些器件发射蓝绿谱段的490nm的相干辐射。这一结果在Haase等的题为“短波长Ⅱ-Ⅵ族激光二极管”一文中得到一般性地披露。文章载于ConferencePro.forGolliumArsenideandRelatedCompounds，1991，InstituteofPhysicsConferenceSeries，No120，pp916。上述激光二极管的光产生层(有源层)包含用常规分子束外延(MBE)技术生长的应变CdxZn1-xSe单量子阱，遗憾的是，随机的合金，CdZnSe的组分和厚度很难用这一工艺控制，发光效率也相对较差，这些特性限制了器件的总效率。很明显，需要继续改进激光二极管。为了广泛扩大商业上的生命力，该器件必须能够在室温下有效地产生高强度光束，为使激光二极管具有这些特性，也需要相应的制作技术。本专利技术是操作MBE系统的一种改进方法。该系统具有一个生长室和至少一种Ⅱ族及至少一种Ⅵ族元素源，使它可以在Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体电发光器件，例如激光二极管，的半导体基体上生长量子阱有源层。Ⅱ-Ⅵ族半导体器件的衬底和初始生长层在MBE生长室中加热，将Ⅱ族和Ⅵ族元素交替注入生长室，至少生长两层Ⅱ族元素和Ⅵ族元素的重迭的单原子层。在一个具体的设备中，器件的衬底和初始生长层被加热至大约150℃，而将Cd、Zn、Se交替注入生长室，产生一激光二极管的有源层该层包含以式〔(CdSe)1(ZnSe)2〕3表示的CdSe/ZnSe短周期应变层超晶格(SPSLS)量子阱层。用这种技术制作的激光二极管显示了比前面所述的器件更大的室温光荧光和电荧光强度，并能在较低的阈值电流下工作。附图说明图1是一个本专利技术Ⅱ-Ⅵ族半导体激光二极管的结构剖面图(无尺寸标度)。图2的曲线表示图1所示激光二极管的光学模的损耗因子(α)和强度半极大值全宽度(FWHM)的乘积与光导层厚度的函数关系。图3表示一个可用于按照本专利技术制作激光二极管的MBE系统。图4是图1所示的量子阱层的详细剖面图。图5是快门的开关顺序曲线，图3所示的MBE系统按此顺序操作，制作本专利技术的激光二极管有源层。图6是用本专利技术制作的激光二极管量子阱层剖面的高分辨率透射电镜显微照片。一个根据本专利技术的半导体激光器10(即电发光器件)示于图1。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所形成的ZnSePN结所包围。正如以下更详尽描述的，量子阱层12是用原子层外延(ALE)和/或迁移增强外延(MEE)方法生长的高效有源层。激光二极管10被制造在N型GaAs衬底18上，在衬底18和光导层14之间夹有一个N型ZnSe欧姆接触层19。P型ZnSe欧姆接触层20迭加在P型光导层16上。聚酰亚胺绝缘层22覆盖接触层20的表面，并与光导层16相对。P型欧姆接触层20的电接触用Au电极24制作，Au电极形成在绝缘层22的开孔条中。一薄的Ti层26和最终的Au层28附加在绝缘层22上，便于导线的键合。与激光二极管10的底面的电接触由衬底18与N型欧姆接触层19相对的表面上的In电极30形成。在样品激光二极管10中，光导层14和接触层19都用Cl(氯)做N型掺杂。光导层16和欧姆接触层20都用N(氮)做P型掺杂。下光导层14掺杂的净施主浓度为1×1017cm-3，上光导层16掺杂的净受主浓度为2×1017cm-3。样品器件的欧姆接触层19和20均淀积至0.1μm的厚度。下接触层19的N型掺杂净施主浓度为1×1018cm-3，上接触层20的P型掺杂净受主浓度为1×1018cm-3。量子阱有源层12中产生的光被导入光导层14和16，二者仅被GaAs衬底和Au电极所包封。在激光二极管10中，在设有Ⅱ-Ⅵ族半导体包层的情况下得到优良的光限制和足够低的光损耗。用计算机模拟来选择光导层14、16的适当厚度，该模拟处理考虑了光导层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。此模拟方法是人所共知的，例如可参考M.R.Ramdas等题为“吸收和开槽平面波导分析一种独特的方法”一文，见Opticsletters，Vol.14，P376(1989)和文中的文献索引。图2的曲线表示所要求的光学模的损耗因子α和FWHM的乘积与ZnSe层14及16厚度的函数关系。为了使器件的阈值电流密度最小化，这个积也应最小化。使用这一设计原则及图2提供的信息，样品激光器的波导层总厚度(即光导层14和16的厚度之和)近似为3.5μm。在本实施例中，n型光导层14厚2.0μm，P型光导层16厚1.5μm。来自自由载流子吸收及散射的损耗估计为8cm-1。量子阱层12对器件的损耗和光限制特性只有较小的影响，在上述设计程序中将其忽略。这一理论认为总波导层厚度小于2.0μm将导致衬底18和电极24中过量的吸收损耗。对于2.5μm的厚度，衬底和电极的吸收损耗为11.7cm-1。另一方面，光学模的FWHM几乎精确地为波导层厚度的一半。因此，当厚度大于6μm时，光限制是如此之差，以至于单量子阱层12不能提供足够的增益来克服损耗。最大模增益反比于波导模的FWHM。对于6μm的波导，FWHM约为3μm，而单量子阱的模增益可估计为12cm-1。可参考有关文献，N.K.Dutta，Appl.phys，Lett.，Vol.53，P.72(Nov.1982)。图3表示用于制作上述样品激光二极管10的MBE系统。这个系统包括一个生长室，并附带有高能电子枪58、荧光屏60、一个衬底加热器90和流量监视器62。象54这样的生长室是为人熟知的，并在市场上可得到。样品激光二极管10制作在(100)晶体取向、Si掺杂的N+GaAs衬底18上。这种衬底片市场上有售。衬底18在放入生长室54之前先用常规方法或其它熟悉的技术清洁及制备。然后用In焊在钼的样品块上(图3未标出)。生长室54包括一个Zn源喷射小室70和1个热解Se源喷射小室72，Cd源喷射小室76和一个标准Se(即原始的Se6)喷射小室79。如图所示，热解Se喷射小室包括一个体蒸发器84和高温热解区82，并提供热解Se源(包括Se2和其它少于6个原子的Se分子)。制作样品激光器的体蒸发器和热解区属常规设计，其细节及功用见cheng等题为“用热解Se的ZnSe的分子束外延生长”，J.Vac，Sci，Technol，B8，181(1990)，Cl源喷射小室78使用ZnCl2为源材料，提供Cl的N型掺杂。P型掺杂由氮自由基源80提供。自由基源通过泄漏阀88与超纯N2气源86相连。制作激光二极管10用的自由基源80可在市场上从英国的牛津应用有限公司购得(Model No MPD21)。在源的一端，分子束的出口隔板由热解氮化硼(PBN)制成，有9个直径为0.2mm的通孔。该源通过一个10″的延伸管安装在喷射小室的标准喷口上。用于制作激光二极管10的N2源86是研究纯级，源86的泄漏阀入口压强为5PSi(磅/平方英寸)。MBE生长室54是依照cheng等题名为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分子束外延（ＭＢＥ）系统的操作方法，该系统有一个生长室和至少一种Ⅱ族元素源及至少一种Ⅵ族元素源，用以在Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体电发光器件制作期间，在一衬底及任意初始生长层上生长量子阱有源层，该方法包括：在ＭＢＥ生成室中加热衬底和初始生长层；向ＭＢＥ生成室中加热衬底和初始生长层；生长至少包含两个Ⅱ族和Ⅵ族元素的单原子层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：程华，詹姆斯M德普伊特，迈克尔A哈泽，邱军，
申请(专利权)人：明尼苏达州采矿制造公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]