CN1099906A - 辐射二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的二极管的特征是活性层(3A)组成为 AlXGa1-xAs且镀层(2，4)组成为AlyGaWIn1-y-wP，而 活性层(3A)的铝含量(X)和厚度(d)使荧光发射波 长在约770～690nm之间。这就使(激光)二极管能 够覆盖从约880nm到600nm的整个可见光范围。 它运行理想，具有高功率，且制造简单。优选活性层 为量子阱层和阻挡层交替的(多)量子阱结构，两者都 由AlGaAs构成，但铝含量不同。

Description

本发明涉及由半导体主体构成的辐射半导体二极管（后简称作二极管），半导体主体含有一个第一种导电类型的半导体基片，在该基片上有半导体层结构，该半导体层结构按顺序包括至少第一种导电类型的第一镀层（cladding  Layer）、发射可见光范围光谱的活性层和与第一种导电类型相反的第二种导电类型的第二镀层，此外，第一镀层和第二镀层上都设有电连接装置。
这类辐射二极管特别是在做成激光器和发射的波长在可见光光谱范围时，可形成用于多种用途的适宜辐射源，如：光盘系统辐射源，固态激光器的抽运激光源（pumping  lasers）或一些医疗检测或治疗设备的辐射源，在这些方面都需要具有基本为线性光谱的高能量源。LED型的二极管也有许多用途。
关于这类辐射二极管可以参见H.Kressel和J.Butler著，“Semiconductor  Lasers  and  Heterojunction  LEDS”（Academic  Press，1977  P505～506）。该书所述的二极管包括一个GaAs基片，并在该基片上有一个AlGaAs活性层间插在AlGaAS镀层之间。如该书505页图所示，根据活性层中铝含量的不同，这种二极管发射光谱覆盖约770nm的荧光波长以上的可见光部分，对应的激光发射波长约780nm。在这一波长之下二极管运行得都不理想，这归结于限制损失（loss  of  confinement））。除上述GaAs基片的二极管外，在两个InAlGaP镀层之间含有InAlGaP活性层的二极管也已多年来为人们所认识，例可参见H.Hamada等人，IEEE  Journal  of  Quantum  Electronics  Vol.27，No.6，1991，P1483～1490。这类二极管的发射波长在约680nm到600nm之间。当其活性层由InGaP（铝含量＝0）组成，并且加以压缩应力时（In含量＞50%（原子）时，发射波长可以增加到近690nm，对应的激光发射约700nm。
已知的各种二极管的缺点是波长从880nm到600nm的可见光光谱中的一部分没能覆盖到，即没能覆盖约770～690nm的部分。已知的发射波长在该区段（激光发射波长约780～700nm）的激光器其起动电流太高，不适用于上述的用途，尤其不适用于上述需要高发射功率的用途，如上述的医疗设备和抽运激光设备。
本发明的目的在于获得一种辐射半导体二极管，更具体地说是半导体激光二极管，这类二极管没有上述其它二极管的缺点或至少缺点程度要轻得多，并且其荧光发射波长在约770～690nm之间，同时还有高发射功率。
依据本发明，在本文开头所述的用于本目的的辐射半导体二极管的特征在于活性层由AlxGa1-xAs组成，各镀层由AlyGawIn1-y-wP组成，并且活性层的铝含量（x）和厚度（d）使荧光发射波长在约770～690nm之间。本发明特别以这样一种认识为基础，即所期望的目的可以通过使AlGaAs活性层与InAlGaP镀层相结合来达到。由于InAlGaP比AlGaAs有更大的带隙，因此可以得到更低的发射波长，而限制效应（confinementeffect）足以得到能提供较高功率运行理想的（激光）二极管。由于活性层的铝含量（x）和厚度（d）适当，所以可在要求的光谱范围发射。在此如此结合组成与厚度（在已知的AlGaAs二极管中，这样的结合得不到有实际用途的二极管）可以得到各种二极管，它们不仅能够在所述波长范围发射，而且有许多非常好的其它性质，如起动电流低，使用寿命长，并能提供高功率。
已经注意到K.  Itay等人在Appl.  Phys.  Lett.  62（18），1993，  P2176～2178中的文章公开了一种辐射二极管，包括位于InAlGaP镀层之间不含InAlGaP的活性层。该活性层也不包括AlGaAs，而包括GaAs。用那样的活性层在本发明的波长范围无发射。在所示的活性层厚度（0.055μm）时，与GaAs体的发射波长（约880nm）相比没有产生发射波长降低的现象。在该文中所述的二极管的目的是使GaAs二极管的起动电流的温度依赖性尽可能最低，即其目的与本发明的目的不同。
本发明二极管的一个主要实施方案的特征是活性层的铝含量（x）至少约14.8%（原子），而活性层的厚度至少约20nm。这样的二极管表现出的荧光波长至多为约770nm，这意味着激光发射发生在至多为约780nm。通过用一个更厚一点的活性层，（即厚度为约20nm以上）则可能得到这一具有吸引力的发射波长。这类更厚一点的活性层可以非常容易地得到且重复性很好，这也是一个很重要的优势。对于同样厚度（d）的活性层，若其铝含量（x）至少约18.0%（原子），则可以得到至多为约750nm的发射波长，相应的激光发射波长至多为约760nm。这样一种二极管由于其波长很准确地对应于上述医疗设备很适用染色剂的吸收光谱，因此特别适用于这种医疗设备方面。
一个特别优越的实施方案的特征是活性层的铝含量在约1%～15%（原子）之间，活性层具有量子阱结构（quantum  well  structure），量子阱的厚度约2.5nm。首先这样一个比较厚的量子阱层有一个优点就是它仍然可以借助于当今常用的OMVPE（有机金属气相定向生长）沉积技术比较容易地得到。其次，在量子阱层厚为约2.5nm的情况下，厚度上的小的变化还是可以接受的。低于2.5nm时，发射波长随厚度的变化而显著变化，从而厚度的变化将导致发射波长大的变化，而这是不希望的。这些方面意味着这一实施方案特别适合于工业规模生产。在这一实施方案中，活性层中铝含量较低时，可在所期望的波长范围内发射。这具有重要的优点，如小的内部和镜面递降（internal  and  mirror  degradation）。在一个进一步改进中，活性层的铝含量为约5～20%（原子），而量子阱的厚度约4nm。后一厚度仍然是比较容易制造的，而所述铝含量的范围使发射波长可在约765nm到715nm之间。
在上述的两个改进中，活性层优选具有含至少四个量子阱层（quantum well Layer）的多量子阱结构（multiple quantum well Structure），这些量子阱层相互间被由AlzGa1-zAs构成的阻挡层隔开，阻挡层的带隙比发射波长对应的带隙至少大约200mev，且厚度为约4～50nm。这样一种结构和这样的阻挡层使得二极管具有很高的发射功率，如上所述，这正是非常期望的。鉴于同样目的，优选用“分隔”镀层将量子阱结构与镀层分开，该“分隔”镀层由具有与上述阻挡层相同铝含量水平的AlGaAs构成，其厚度为5～150nm。
这种由AlzGa1-zAs组成的“分隔”镀层的一个重要优点将在本发明二极管的制造中显示出来。在生长过程中，事实上在最远离量子阱的位置发生从供给Al、Ga和As到供给In、Ga、Al和P转换。在这样一个主要转换期间，任何不规则现象都发生在辐射存在区域的边缘而不是在其中心发生。
在活性层具有（多）量子阱结构的一个非常有利的实施方案的改进中，活性层也包含磷，且磷的含量最多约30%（原子）。这类由AlGaAsP组成的活性层，在比无磷活性层的铝含量更低时，会产生较低的发射波长。铝含量低的优点前面已经叙及。另外，磷的存在将在活性层中产生（张力）应力，当用作激光二极管时，这可起到使起动电流下降的作用。
优选活性层的厚度不大于约0.05μm。用这样小厚度的活性层可以使得到的激光二极管具有相对环形对称的远磁场图，且起动电流不过度升高。这与具有这样小的活性层厚度的常规激光二极管的情况一样。活性区域的表面积优选在约25×500μm2到100×500μm2之间。根据本发明且有上述活性区域表面积的激光二极管可以产生用常规的激光二极管所不能得到的特别高的发射功率，因此本发明的二极管特别适合于上述的用途。
在所述的所有实施方案中，优选镀层的铝含量（y）尽可能高。铝含量仍然有利的上限值约35%（原子）。铟含量总是约50%（原子），从而，较厚的镀层与基片有相同的晶格常数。
对于上述的大多数用途而言，都希望要激光而不是LED。因而本发明的二极管的一个优选实施方案为激光二极管。
按本发明制造辐射半导体二极管的方法为在一个半导体基片上依次提供如下组分：第一导电类型的第一镀层、能发射可见光范围光谱的活性层以及与第一导电类型相反的第二导电类型的第二镀层，此后镀层设电连接装置，本发明方法的特征为选择AlxGa1-xAs作为活性层的半导体材料，选择AlyGawIn1-y-wP作为镀层的半导体材料，而活性层的铝含量（x）和厚度（d）的选择使发射波长处于约770～690nm之间。因此，本发明的二极管可以依此简单得到。
下面将参考一个实施方案及附图对本发明作更详细的说明，其中：
图1为本发明的辐射半导体二极管的一个实施方案的剖面图;和
图2是辐射半导体二极管的光输出与电流对应关系曲线，曲线21为本发明的二极管，曲线22为常规的二极管，两种二极管的发射波长近似相同。
这些图都是示意图，没有按比例画出，为了清楚起见，厚度方向的尺寸特意进行了放大。在不同的实施例中，相同的部分照常例，都给予相同的参考数字。同样，相同导电类型的半导体区域都划有相同方向的阴影线。
图1是本发明辐射半导体二极管的第一实施方案的剖面图。该半导体二极管由半导体主体10组成，其中半导体主体10具有第一导电类型（在此为N-型）的基片1，本实施例的基片1由砷化镓单晶构成。并设有连接导线8。在该基片上设一半导体层结构，其组成为：第一导电类型（此处为N-型）的第一镀层2、能在可见光谱范围发射的活性层以及第二导电类型（此处为P型）的第二镀层4。根据本发明，活性层3A由AlxGa1-xAs组成，镀层2，4由AlyGawIn1-y-wP构成，而活性层3A中的铝含量（x）和厚度（d）使荧光发射波长在约770～690nm。结果，本发明的二极管覆盖了可见光光谱范围内的一段重要的空隙。在本实施例中，活性层的铝含量（x）至少为5%（原子），至多为20%（原子），在现在情况下为8%（原子），而活性层3A是量子阱结构，量子阱层的厚度约4nm。在现在情况中活性层3A由四个量子阱层构成，它们相互之间用铝含量（z）约40%（原子）、厚度约4.5nm的AlzGa1-zAs阻挡层隔开。
用铝含量（z）也为约40%（原子）的AlzGa1-zAs构成的约5～150nm（在此为9nm）厚的分隔镀层3B将活性层3A与镀层2，4隔开。本实施例的二极管能够提供相当高的光强度，部分归功于这些分隔镀层，而高光强度对许多用途来说是一个很重要的优势。由AlGaAs代替镀层的InAlGaP组成分隔镀层3B为制造提供了又一重要的优点，这是因为无论铝含量多少，相对较厚的AlGaAs层3B与GaAs基片1有基本相同的晶格常数。这与InGaAlP构成的层相反。本实施例的二极管的荧光波长约740nm。该二极管作成激光二极管，激光发射波长约750nm。如本实施例那样的激光结构特别具有吸引力，这是因为激光二极管非常适用于引言中所述的在所述波长范围内的各种用途。在第二镀层4上面有一个含铟约50%（原子）的InGaP薄中间层5和一个P-型GaAs接触层6。在本实施例中镀层2和4由In0.5Al0.35Ga0.15P组成。
在接触层6之上是一个SiO2绝缘层9，其中有一个宽约25μm的带状开孔。绝缘层9之上是导电层7，在7的上面装有电连接导线（图中未示出）。在基片1上另一导电层8上也有这样的电连接导线。在基片1和第一镀层2之间有一个铝含量（t）约20%（原子）的AltGa1-tAs缓冲层。在半导体主体10内有一个带状区域12，在该区域内设置一个PN结，若向前的电流强度足够强时，它导致电磁辐射，在此，由于二极管的前面与后面（在图示平面中）做成镜面，因此所产生的电磁辐射为激光辐射。下面是本实施例中各种半导体层所用的组成、掺杂量和厚度。
层    半导体    类型    掺杂浓度    厚度    带隙(主
(原子/cm3) (μm) 体)(ev)
1 GaAs N 2×1018150 1.4
11 Al0.20Ga0.80As N 2×10180.1 1.7
2 In0.50Al0.35Ga0.15P N 5×10170.8 2.3
3B Al0.40Ga0.60As - - 0.009 1.9
3A Al0.08Ga0.092As(4x) - - 0.004 1.5
Al0.40Ga0.60As(3x) - - 0.0045 1.9
3B Al0.40Ga0.60As - - 0.009 1.9
4 In0.5Al0.35Ga0.15P P 3×10170.8 2.3
5 In0.5Ga0.5P P 1×10180.1 1.9
6 GaAs P 2×10180.5 1.4
在本实施例中基片1上的导电层8是Au-Ge-Ni层，厚度为约1000 ;导电层7由Pt层、Ta层和Au层构成，其厚度分别为约1000
Figure 941072363_IMG3
、约500
Figure 941072363_IMG4
、约2500
Figure 941072363_IMG5
。
根据本发明，制备所述辐射半导体二极管的方法如下（见图1）。本方法从单晶N-型砷化镓基片1（001）开始，对（001）取向的表面抛光和刻蚀后，例如通过OMVPE（有机金属蒸汽相取向生长）法在生长温度为760℃时，由气相在其表面上提供如下半导体层结构：首先是AlGaAs缓冲层11;然后是InAlGaP第一镀层2，AlGaAs分隔镀层3B，有互相之间由三个AlGaAs阻挡层隔开的四个AlGaAs量子阱层的活性层3A，接着再一层AlGaAs分隔镀层3B、InAlGaP第二镀层4、InGaP中间层5和GaAs接触层6。对于所选的组成、导电类型、掺杂浓度、厚度和半导体层的带隙均参考上面的表及图1说明。从生长设备中将其整个结构取出后，再用溅射等方法在其表面加一层二氧化硅绝缘层9，其厚度为0.1μm。通过光刻和刻蚀技术在绝缘层9中形成一个带状开孔，其宽度为25μm，其纵轴垂直于图1所示的平面。将结构清洗之后，再通过溅射等方法提供导电层7和8。再清洗后即可将单个的辐射二极管，在此为增益导向（gain  guided）型的激光二极管作最后的装配。
图2中曲线21是本发明的辐射半导体二极管（在此为根据本实施方案的激光二极管）的光输出与电流的关系曲线，曲线22是活性层和镀层均为AlGaAs常规二极管的光输出与电流关系曲线。本发明的激光二极管发射波长为750nm，常规的二极管也制成激光二极管，但其发射波长约760nm。这些曲线以CW（连续工作）方式在60℃测得。本发明的（激光）二极管（曲线21）的起动电流非常低（60℃时为50mA），对应的起动电流密度为0.4KA/cm2。常规的激光二极管（曲线22）的起动电流高（60℃时大于200mA），对应的起动电流密度为1.6KA/cm2。如果常规激光二极管象本发明的激光二极管那样在约750nm波长发射，则其起动电流和起动电流密度将是上述数值的两倍。这样的二极管在设想的应用领域中没有实际用途，而本发明的二极管则相反。这些测试结果表明本发明的二极管其发射波长范围为770nm～690nm，而起动电流较低发光功率较高使得到的二极管可以用于上述各用途。
本发明不限于给出的各实施例，因为对于本领域普通技术人员而言，可能在本发明的范围内做各种修改和变化。因此，半导体材料的组成除了本实施例选择的之外，其余的均可使用。导电类型都可（同时）换成与之相反的形式。也可用其它的结构形式（如用脊（ridge）型结构）。根据用途的不同，本发明的辐射半导体二极管可以选择LED结构或激光结构。在激光二极管结构中，增益导向结构和指数导向（index  guided）结构都可使用。最后，应该注意到在本实施方案中制造各半导体层的方法也可以是MOVPE技术以外的其它方法。MOMBE（金属有机分子束定向生长）、MBE（分子束定向生长）、VPE（气相定向生长）或LPE（液相定向生长）代替MOVPE都可。

Claims (12)

1、一种以半导体主体组成的辐射半导体二极管，所述半导体主体具有第一导电类型的半导体基片(1)，在所述半导体基片(1)上有半导体层结构，所述半导体层结构按如下顺序包含至少：第一导电类型的第一镀层(2)、在可见光范围发射的活性层(3A)、与第一导电类型相反的第二导电类型的第二镀层(4)，而第一和第二镀层(2，4)上设有电连接装置(5，6，7，8)，所述辐射半导体二极管的特征为活性层(3A)由AlxGa1-xAs组成，镀层(2，4)由AlyGawIn1-y-wP组成，并且活性层(3A)的铝含量(x)和厚度(d)使其荧光发射的波长在约770nm～690nm之间。
2、按权利要求1的辐射半导体二极管，其特征为活性层（3A）的铝含量（x）至少为约14.8%（原子），而活性层（3A）的厚度（d）至少为约20nm。
3、按权利要求1的辐射半导体二极管，其特征是活性层（3A）的铝含量（x）至少为约18.0%（原子），且活性层（3A）的厚度至少为约20nm。
4、按权利要求1的辐射半导体二极管，其特征是活性层（3A）的铝含量（x）至少为约1%（原子），至多为约15%（原子），活性层（3A）有量子阱（quantum well）结构，且量子阱的厚度为约2.5nm。
5、按权利要求1的辐射半导体二极管，其特征是活性层（3A）的铝含量（x）至少为约5%（原子），至多为约20%（原子），活性层（3A）有量子阱结构，量子阱的厚度至少约4nm。
6、按权利要求4或5的辐射半导体二极管，其特征是活性层（3A）有多量子阱结构，所述多量子阱结构至少有四个具有所述铝含量（x）和所述厚度（d）的AlxGa1-xAs量子阱层，这些量子阱层相互之间用AlzGa1-zAs阻挡层隔开，所述阻挡层的带隙比发射波长对应的带隙至少大200mev，且厚度为4～50nm。
7、按权利要求4、5或6的辐射半导体二极管，其特征是在活性层（3A）和镀层（2，4）之间有一层AlzGa1-zAs分隔镀层（3B），所述分隔镀层（3B）的带隙比发射波长对应的带隙至少大200mev，且厚度为约5～150nm。
8、按权利要求4、5、6或7的辐射半导体二极管，其特征是活性层（3A）也含有磷且磷含量至多约30%（原子）。
9、按权利要求中任意一项的辐射半导体二极管，其特征是活性层的厚度不大于约0.05μm。
10、按上述权利要求中任一项的辐射半导体二极管，其特征是活性区域的表面积在25×500μm2～100×500μm2之间。
11、按上述权利要求中任一项的辐射半导体二极管，其特征是分隔镀层（3B）中的铝含量（y）至多约35%（原子），且铟含量（w）为约50%（原子）。
12、制备辐射半导体二极管的方法，所述方法在一个半导体基片上依次提供：第一导电类型的第一镀层（2）、在可见光范围内发射光谱的材料构成的活性层（3A）、与第一导电类型相反的第二导电类型的第二镀层（4）;然后，在镀层（2，4）上设电连接装置（5，6，7，8），所述方法的特征是选择AlxGa1-xAs作为活性层（3A）的半导体材料，且选择AlyGawIn1-y-wP作为镀层（2，4）的半导体材料，而活性层（3A）中的铝含量（x）及厚度（d）的选择使发射波长在770-690nm之间。
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