无包层单量子阱Ⅱ-Ⅵ族激光二极管制造技术

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。（*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，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。本专利技术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-periodstrained-layer)超晶格层。第二电极为金电极。附图说明图1为说明根据本专利技术的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)(fullwidthathalfmaximumintensity)的积与光导层厚度的函数关系的曲线。图3说明能用于制造本专利技术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(shuttersequence)的图解，图3所示的MBE系统按此顺序操作，以制造本专利技术的激光二极管的有源层。图6是根据本专利技术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1一般地说明本专利技术的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ZnSepn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(opticalconfinement)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 Applied Rese本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提供产生光束的Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体激光二极管的方法，其特征在于包括：一第一种导电类型的单晶半导体衬底；覆盖在衬底上的第一种导电类型的Ⅱ－Ⅵ族半导体的第一导向层；覆盖在第一导向层上的Ⅱ－Ⅵ族半导体的单量子阱有源层；覆盖在有源层上的第二种导电类型的Ⅱ－Ⅵ族半导体的第二导向层，第一和第二导向层形成一ｐｎ结；与第一导向层相对地覆盖在衬底上的第一电极层；与有源层相对地覆盖在第二导向层上的第二电极层；以及第一和第二导向层的厚度足以使衬底和第二电极把光束约束在有源层和第一、第二导向层内。

【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]