[发明专利]生长激光二极管中量子阱的分子束外延系统的操作方法

说明书

本发明涉及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Conference Pro.for Gollium Arsenide and RelatedCompounds，1991，Institute of Physics Conference Series，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Cd_xZn_1-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。

本发明是操作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原层该层包含以式〔(CdSe)₁(ZnSe)₂〕₃表示的CdSeZnSe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。

图1是一个本发明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发明制作激光二极管的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，制作本发明的激光二极管有源层。

图6是用本发明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。

一个根据本发明的半导体激光器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ZnSe PN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。详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。