Способ изготовления омического контактного слоя и полупроводниковое устройство ii-vi групп

Способ изготовления омического контактного слоя и полупроводниковое устройство ii-vi групп

Реферат

 

Изобретение относится к области технической физики. Сущность: способ изготовления омического контактного слоя на слое p-типа на полупроводнике (пп) II-VI групп в камере молекулярно-лучевой эпитаксии, в качестве источника элемента VI группы выбирают: источник элемента Х_m, где m<6; источник элемента Se_m, где m<6; термически расщепленный Se. Легирующую примесь p-типа вводят в виде свободных радикалов, например группы V, свободные радикалы из группы, состоящей из N, As, P. При этом указанный слой из пп нагревают до температуры, достаточно высокой для поддержания роста кристаллов, но ниже 250°С, и в качестве варианта ниже 130-200°С. И полупроводниковое устройство II-VI групп, которое может быть использовано в лазерном диоде, включающее слой p-типа из пп II-VI групп, на первой стороне которого расположен омический контактный слой из кристаллического пп p-типа II-VI групп, легированный акцепторами поверхностного уровня энергии, например акцепторами азота, для обеспечения чистой концентрации акцепторов 110¹⁷см^-3, или 110¹⁸см^-3, или 110¹⁹см^-3, и электропроводный электродный слой, характеризующийся энергией Ферми. Омический контактный слой имеет достаточно глубокие акцепторные уровни, достаточные для работы устройства при напряжениях на контактном слое менее 2 В. Причем слой p-типа из пп II-VI групп может быть выполнен из ZnSe, а электродный слой может включать слой материала, например металла, имеющего работу выхода по меньшей мере 5 В. Техническим результатом изобретения является создание нового способа изготовления омического контактного слоя на слое p-типа на пп II-VI групп и создание пп устройства II-VI групп с использованием этого способа, например зелено-синего лазерного диода с длиной волны от 590 до 430 нм. 2 с. и 16 з.п.ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к области техники физики, а именно к полупроводниковым лазерным диодам. Полупроводниковые лазерные диоды хорошо известны и описаны, например, в Главе 12 книги Ше "Физика полупроводниковых приборов", 2-е изд. , стр. 681-742 (1981). В настоящее время большинство выпускаемых промышленностью лазерных диодов изготавливается из полупроводниковых соединений элементов III-V групп и их сплавов, таких как GaAs или AlGaAs. Эти приборы излучают свет в инфракрасной и красной областях спектра, например в интервале длин волн от 630 до 1550 нм. Лазерные диоды такого типа имеют очень широкий диапазон применений и используются в средствах связи, запоминающих устройствах, датчиках и системах формирования изображений.

Тем не менее существует множество областей применения, для которых длина волны света, генерируемого инфракрасными и красными лазерными диодами, оказывается непригодной. Конкурентоспособные лазерные диоды, испускающие излучение при более короткой длине волн, например в зеленой и синей частях спектра (т. е. в интервале длин волн от 590 до 430 гм), нашли бы очень широкое применение. Более коротковолновые лазерные диоды также улучшили бы рабочие характеристики и расширили бы возможности многих систем, в которых сейчас используются лазерные диоды инфракрасного и красного спектра.

Полупроводники и сплавы с большой шириной запрещенной зоны из II-VI групп, и в частности ZnSe, в течение многих лет считались перспективными материалами для изготовления устройств синего и зеленого излучения. В 1960-е годы лазерное действие с использованием электронно-лучевых методов накачки было продемонстрировано на нескольких полупроводниках II-VI групп. Обзор этих работ приведен в статье Колака и др. "Лазеры II-VI групп с электронно-лучевой накачкой", J. Crystal Growth, 72, 504 (1985). В последнее время также было много демонстраций лазерного действия с фото- и электронно-лучевой накачкой для эпитаксиальных полупроводниковых материалов типа II-VI. См., например, Потс и др., "Лазерное излучение с электронно-лучевой накачкой из ZnSe, выращенного с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии", Appl. Phys. Lett. , 50, 7 (1987) и Динг и др., "Лазерное действие в сине-зеленом спектре с оптической накачкой из структур (Zn, Cd)Se/ZnSe с одиночной квантовой ямой", Appl. Phys. Lett., 57, стр. 2756 (1990). По мере прогресса в исследованиях полупроводников типа II- VI с большой шириной запрещенной зоны было выявлено несколько принципиальных технологических трудностей, в том числе: 1) неспособность получать ZnSe и соответствующие сплавы p-типа с малым сопротивлением; 2) неспособность формировать омические контакты приборного качества к ZnSe и соответствующим сплавам p-типа; и 3) отсутствие подходящих систем материалов для гетероструктур с согласованной кристаллической решеткой.

В настоящее время для изготовления нелегированных слоев и слоев n-типа ZnSe приборного качества, как правило, на подложках из арсенида галлия используются современные методы эпитаксиального наращивания, такие как молекулярно-лучевая эпитаксия (МВЕ) и осаждение металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD). Сообщалось также о выращивании низкоомного ZnSe p-типа с использованием в качестве легирующих примесей Li и N (NH₃). Некоторое время считали, что верхний предел достижимой чистой концентрации акцепторов (N_A-N_D) равен примерно 10¹⁷ см^-3. Однако в настоящее время в ZnSe:N, выращенном путем молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием свободных радикалов азота, полученных с помощью высокочастотного плазменного источника, были достигнуты значительно более высокие чистые концентрации акцепторов. См. , например, Парк и др., "Легирование ZnSe р-типа пучком атомарного азота в процессе молекулярно-лучевого эпитаксиального наращивания", Appl. Phys. Lett. , 57, стр. 2127 (1990). Наивысшая чистая концентрация акцепторов в ZnSe, достигнутая при использовании данной технологии, составляет 210¹⁸ см^-3. Об элементарных синих светоизлучающих диодах сообщили несколько лабораторий, пользующихся этой технологией. См., например, Парк и др., Appl. Phys. Lett., процитированная непосредственно перед этим статья.

Из полупроводниковых систем II-VI групп с большой шириной запрещенной зоны, которые были достаточно хорошо изучены, а именно ZnSeTe, CdZnSe, ZnSSe и CdZnS, только CdZnS-ZnSe дают систему с согласованными постоянными кристаллических решеток. К сожалению, эта система обладает очень малой разностью ширины запрещенных зон (около 0,05 эВ), совершенно недостаточной для удерживания носителей, необходимых для создания простых лазерных диодов с двойной гетероструктурой. Таким образом, для достижения разности ширины запрещенных зон более 0,2 эВ необходимо использовать системы с деформированными слоями (например, ZnSe-Cd_xZn_1-xSe с x 0,2). Для предотвращения возникновения дислокаций несовмещения, ухудшающих эффективность люминесценции, толщина деформированного слоя должна быть меньше критической. Однако лазер с простой двойной гетероструктурой, изготовленный соответствующим образом, имел бы настолько тонкий активный слой (из-за большого рассогласования, требуемого для обеспечения достаточной разницы ширины запрещенных зон), что оптическая мода была бы очень плохо ограничена. Поэтому коэффициент ограничения (перекрытие оптической моды и светоизлучающей области) был бы малым, а потери в подложке высокими, что приводило бы к появлению недопустимо больших пороговых токов. Таким образом, получение лазерных диодов с простой двойной гетероструктурой на этих материалах II-VI групп с большой шириной запрещенной зоны является непрактичным.

По этим причинам сообщения о демонстрации лазерных диодов, изготовленных из полупроводниковых соединений II-VI групп, отсутствуют. Конкурентоспособные лазерные диоды подобного типа были бы исключительно желательны и имели бы широкое применение.

Вследствие широкого круга важных применений для таких приборов указанным материалам было посвящено большое количество исследований и разработок. В результате этих работ было выявлено много серьезных препятствий, мешающих изготовлению конкурентоспособных приборов II-VI групп. Практически же, несмотря на все эти исследования, об элементарных синих светоизлучающих диодах (светодиодах), изготовленных из эпитаксиального полупроводника II-VI групп (ZnSe), впервые было сообщено только в 1988 году. См., например, Ясуда и др. , Appl. Phys. Lett., 52, 57 (1988). Сообщения же о лазерных диодах, изготовленных из этих материалов, неизвестны.

Существенной проблемой была невозможность легирования p-типа селенида цинка (ZeSe) или других соответствующих полупроводниковых материалов II-VI групп для получения достаточных чистых концентраций акцепторов. Недавно в этой области были сделаны серьезные усовершенствования. См., например, Парк и др. , "Легирование ZnSe p-типа пучком атомов азота в процессе молекулярно-лучевого эпитаксиального наращивания", Appl. Phys. Lett., 57, стр. 2127 (1990).

Другим недавним достижением в технологии полупроводников II- VI групп является выращивание эпитаксиальных пленок при низких температурах с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии и источника с термодиссоциацией для элементов группы VI. См., например, Чанг и др., "Низкотемпературное наращивание ZnSe путем молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием диссоциированного селена", Appl. Phys. Lett., т. 56, стр. 848 (1990).

Проблему представляет также изготовление низкоомных омических контактов к областям и n, и p-типа на полупроводниках II-VI групп. Для конкурентоспособных приборов II-VI групп (например, приборов с низким рабочим напряжением и малым тепловыделением) хорошие омические контакты необходимы.

Обычные методы изготовления омических контактов металл-полупроводник основаны на использовании металлических систем (нередко термически вплавляемых) с целью получения низкого барьера для инжекции носителей и/или с целью как можно более сильного легирования поверхности контактного слоя полупроводника примесями с неглубоким энергетическим уровнем. Из-за малой высоты барьера и высокой степени легирования полупроводникового слоя потенциальные барьеры являются настолько тонкими, что туннелирование носителей через барьеры становится весьма значительным. Практически во всех коммерческих полупроводниковых приборах и интегральных схемах для инжекции носителей применяется именно такой подход.

Обычно подразумевается, что такая же методика (например, легирование и напыление золота) должна быть пригодна и для получения омических контактов на ZnSe p-типа и других полупроводниках II-VI групп. Фактически же, после того как научились выращивать низкоомный ZnSe p-типа, стало ясно, что использовать для получения приемлемых омических контактов обычную технологию невозможно. Пока что стабильная металлическая система с низким барьером и очень высокие уровни легирования для этих полупроводников отсутствуют. Одним из исключений из этого правила является ZnTe, который допускает простое легирование p-типа. На этом полупроводнике можно также изготовить омические контакты и с использованием обычных методов. Тем не менее очевидно, что существует потребность в усовершенствованной технологии омических контактов для других p-полупроводников II-VI групп с большой шириной запрещенной зоны.

Поэтому был разработан способ изготовления омического контактного слоя на слое p-типа из полупроводника II-VI групп, включающий размещение слоя p-типа из полупроводника II-VI групп в камере молекулярно-лучевой эпитаксии, введение в камеру по меньшей мере одного источника элемента II группы, по меньшей мере одного источника VI группы, по меньшей мере одной легирующей примеси p-типа и выращивание кристаллического омического контактного слоя II-VI групп, легированного примесью p-типа на указанном слое из полупроводника, в котором в качестве источника элемента VI группы выбирают источник элемента X_m, где m < 6, легирующую примесь p-типа вводят в виде свободных радикалов, при этом указанный слой из полупроводника нагревают до температуры ниже 250^oC, но достаточно высокой для поддержания роста кристаллов слоя из полупроводника II-VI групп, легированного примесями p-типа в виде свободных радикалов до чистой концентрации акцепторов по меньшей мере 110¹⁷см^-3, а выращивание кристаллического оптического контактного слоя II-VI групп, легированного примесями p-типа в виде свободных радикалов, осуществляют до чистой концентрации акцепторов по меньшей мере 110¹⁷см^-3.

Нагрев указанного слоя полупроводника осуществляют до температуры, достаточно высокой для поддержания роста кристаллов слоя из полупроводника II-VI групп, легированного примесями p-типа в виде свободных радикалов до чистоты концентрации акцепторов по меньшей мере 110¹⁸ см^-3, например, нагрев указанного слоя из полупроводника осуществляют до температуры примерно от 130^oC до 200^oC. При этом в качестве источника элемента группы VI вводят Se_m, где m < 6; в качестве источника элемента группы II вводят Zn; и в качестве легирующих примесей p-типа в виде свободных радикалов вводят свободные радикалы элементов группы V. В качестве источника элемента группы VI можно вводить термически расщепленный Se.

В качестве легирующих примесей p-типа в виде свободных радикалов элементов группы V вводят свободные радикалы из группы, состоящей из азота, мышьяка и фосфора, предпочтительно свободные радикалы азота.

Дополнительно на омический контактный слой можно наносить слой электропроводного материала. При этом указанный электропроводный материал может иметь работу выхода больше примерно 5 эВ. В частности, электропроводный материал является металлом.

Вышеописанный способ может быть использован при изготовлении лазерных диодов. При этом указанный слой из полупроводника представляет собой слой лазерного диода.

С учетом полученного вышеописанным способом омического контактного слоя было разработано полупроводниковое устройство II-VI групп, включающее слой p-типа из полупроводника II-VI групп, на первой стороне которого расположен омический контактный слой из кристаллического полупроводника p-типа II-VI групп и электропроводный электродный слой, характеризующийся энергией Ферми и расположенный на омическом контактном слое, в котором омический контактный слой легирован акцепторами поверхностного уровня энергии до чистой концентрации акцепторов по меньшей мере 110¹⁷ см^-3 и имеет достаточно глубокие акцепторные уровни, находящиеся в промежутке от поверхностного акцепторного уровня энергии до уровня энергии Ферми электродного слоя, для обеспечения электрического тока, достаточного для работы устройства при напряжениях на контактном слое приблизительно менее 2 В.

При этом омический контактный может быть легирован акцепторами поверхностного уровня энергии для обеспечения чистой концентрации акцепторов по меньшей мере 110¹⁸ см^-3, в частности контактный слой может быть легирован акцепторами азота поверхностного уровня, например, до концентрации 110¹⁹ см^-3.

При этом слой p-типа из полупроводника II-VI групп может быть выполнен из ZnSe, а электродный слой может включать слой материала, имеющего работу выхода, равную по меньшей мере 5 эВ.

Вышеописанное устройство может быть использовано в лазерном диоде.

Фиг. 1 представляет поперечное сечение (не в масштабе), иллюстрирующее структуру лазерного диода на полупроводнике II-VI групп в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 представляет схематическое изображение системы для молекулярно-лучевой эпитаксии, использованной для изготовления диода, показанного на фиг. 1.

Фиг. 3 представляет вольт-амперную характеристику образцов золотых омических контактов на ZnSe p-типа, аналогичных тем, которые были выполнены в лазерном диоде, показанном на фиг. 1.

Фиг. 4 представляет схему энергетических зон омического контакта на ZnSe p-типа, одинакового с теми, какие были выполнены в лазерном диоде, показанном на фиг. 1.

Фиг. 5 представляет кривую зависимости измеренной выходной оптической мощности лазерного диода, показанного на фиг. 1, от подаваемого тока.

Фиг. 6(а) представляет кривую зависимости измеренной интенсивности мгновенного (не лазерного) светового излучения лазерного диода, показанного на фиг. 1, от длины волны.

Фиг. 6(б) представляет кривую зависимости измеренной интенсивности стимулированного (лазерного) светового излучения лазерного диода, показанного на фиг. 1, от длины волны.

Фиг. 6(в) представляет подробное изображение области центральной длины волны для фиг. 6(б).

Фиг. 7 представляет поперечное сечение, иллюстрирующее структуру с поясковым волноводом альтернативного варианта реализации лазера, показанного на фиг. 1.

Фиг. 8 представляет кривую спектра низкотемпературной фотолюминесценции образца слоя p-типа для омического контакта, одинакового с теми, какие были выполнены в лазерном диоде, показанном на фиг. 1.

Фиг. 9 представляет схему установки молекулярно-лучевой эпитаксии для легирования полупроводников в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 10(а) и 10(б) представляют собой кривые зависимости фотолюминесценции от энергии.

Фиг. 11(а) представляет кривую зависимости 1/C² от напряжения смещения для образца полупроводника, описанного в разделе "Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения".

Фиг.11(б) представляет кривую зависимости чистой плотности акцепторов от ширины обедненной области для полупроводника, описанного в разделе "Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения".

Фиг. 12(а) представляет поперечное сечение (не в масштабе) светоизлучающего диода, описанного в разделе "Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения".

Фиг. 12(б) представляет кривую зависимости интенсивности электролюминесценции от отношения длин волн для светоизлучающего диода, изображенного на фиг. 12(а), при 77 К.

Фиг. 13 представляет кривую зависимости интенсивности электролюминесценции от отношения длин волн для светоизлучающего диода, изображенного на фиг. 12(а), при комнатной температуре.

Фиг. 14 представляет поперечное сечение (не в масштабе) второго светоизлучающего диода, описанного в разделе "Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения".

На фиг. 1 обобщенно изображена структура лазерного диода 10 в соответствии с настоящим изобретением. Лазерный диод 10 является прибором II-VI групп с большой шириной запрещенной зоны, изготовленным из гетероэпитаксиальных слоев ZnS_xSe_1-x, ZnSe и Cd_yZn_1-ySe, выращенных с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложке из арсенида галлия (GaAs). Экспериментальные образцы этих диодов обладали лазерным действием, излучая когерентный сине-зеленый свет в области 490 нм из структуры Cd_yZn_1-ySe с квантовой ямой при импульсной инжекции носителей при 77 К.

Лазерный диод 10 изготовлен на арсенидгаллиевой подложке 12 и включает нижний (первый) и верхний (второй) световодные слои ZnSe 14 и 16 соответственно, разделенные активным слоем 18 с квантовой ямой из Cd_yZn_1-ySe. Поверхности световодных слоев 14 и 16, противоположные по отношению к активному слою 18, граничат с нижней и верхней оболочками из ZnS_xSe_1-x 20 и 22 соответственно. Нижний омический контактный слой ZnSe 24 расположен на поверхности нижней оболочки 20, противоположной по отношению к световодному слою 14, а верхний омический контактный слой ZnSe 26 расположен на поверхности верхней оболочки 22, противоположной по отношению к световодному слою 16. Арсенидгаллиевый слой 28 отделяет подложку 12 от нижнего контактного слоя ZnSe 24 с целью обеспечения высокого кристаллографического качества контакта и последовательно наращиваемых слоев. Изоляционный слой полиимида 34 покрывает поверхность верхнего омического контактного слоя 26, противоположную по отношению к верхней оболочке 22. Электрический контакт к омическому контактному слою 26 выполнен в виде золотого электрода 30, сформированного в окне в изоляционном слое 34. Для облегчения присоединения выводов на слой полиимида 34 и открытую часть золотого электрода 30 наносили тонкий слой титана 31, а затем последний слой золота 33. Электрический контакт к нижней стороне лазерного диода 10 выполнен в виде индиевого электрода 32 на поверхности подложки 12, противоположной по отношению к нижнему слою 24 омического контакта 24.

В экспериментальных образцах лазерных диодов 10 слои 24, 20 и 14 легированы примесью n-типа - хлором (то есть имеют проводимость первого типа). Слои 16, 22 и 26 легированы примесью p-типа - азотом (то есть имеют проводимость второго типа). Активный слой 18 представляет нелегированный слой с квантовой ямой из полупроводника Cd_0,2Zn_0,8Se, нанесенного до толщины 0,01 мкм. Световодные слои 14 и 16 имеют толщину по 0,5 мкм. Нижний световодный слой 14 легирован до чистой концентрации доноров 110¹⁷ см^-3, а верхний световодный слой 16 легирован до чистой концентрации акцепторов 210¹⁷ см^-3. Оболочки 20 и 22 являются слоями полупроводникового материала ZnS_0,07Se_0,93, нанесенного до толщины 2,5 мкм и 1,5 мкм соответственно. Чистая концентрация доноров в нижнем оболочечном слое составляет 110¹⁸ см^-3. Чистая концентрация акцепторов в верхнем оболочечном слое составляет 210¹⁷ см^-3. Оба омических контактных слоя 24 и 26 в этих экспериментальных приборах имеют толщину по 0,1 мкм. Верхний омический контактный слой имеет легирование n-типа до чистой концентрации доноров 110¹⁸ см^-3. Нижний омический контактный слой имеет легирование p-типа до чистой концентрации акцепторов 110¹⁸ см^-3.

Для изготовления лазерных диодов в соответствии с настоящим изобретением могут быть также использованы другие параметры и материалы. Например, толщина слоев 24, 20, 14, 16, 22 и 26 может изменяться так, как это необходимо для заданного применения. Типичные диапазоны толщин для контактных, оболочечных и световодных слоев составляют от 0,03 до 1,0 мкм, от 0,5 до 5,0 мкм и от 0,1 до 1,0 мкм соответственно. Как правило, толщины световодных слоев 14 и 16 должны выбираться из условия минимизации ширины оптической моды. Если слои 14 и 16 слишком тонки, затухающие хвосты волновой функции будут проникать глубоко внутрь оболочек 20 и 22. Оболочки 20 и 22 должны иметь толщину, достаточную для того, чтобы сделать поглощение оптической моды в подложке 12 и электроде 32 ничтожно малым. Соединение Cd_xZn_1-xSe (которое определяет длину волны лазера) с x, равным примерно 0,2, было выбрано с целью обеспечить достаточно большую разность ширины запрещенных зон (E_зон=приблизительно 0,2 эВ) для облегчения эффективного ограничения носителей. При увеличении значения x глубина квантовой ямы увеличивается, однако при этом из-за увеличения рассогласования кристаллических решеток толщина слоя должна уменьшаться, вследствие чего падает эффективность накапливания носителей в потенциальной яме.

Соединение ZnS_ySe_1-y с y, равным примерно 0,07, было выбрано с целью обеспечить достаточно большую разницу коэффициента преломления по сравнению с коэффициентом преломления световодных слоев из ZnSe для образования волновода с малыми потерями. Это соединение обладает также отличной морфологией, поскольку при температуре роста около 300^oC параметры его решетки почти согласованы с арсенидгаллиевой подложкой.

Могут быть использованы другие легирующие примеси n-типа, а именно Ga, Al, In, I, F и Br. В качестве легирующих примесей p-типа могут также быть использованы кислород или литий. К числу других легирующих примесей p-типа из V группы относятся мышьяк и фосфор. Можно также использовать более высокие концентрации доноров и акцепторов, хотя они не должны быть такими высокими, чтобы вызвать чрезмерное поглощение свободных носителей.

Экспериментальные образцы лазерного диода 10 изготавливались на легированной кремнием подложке 12 из GaAs n+-типа с кристаллографической ориентацией (100). Подложки 12 подобного типа серийно выпускаются рядом производителей, включая компанию "Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд". Арсенидгаллиевый буферный слой 28 в данном варианте реализации имел толщину 1 мкм и легирование nтипа кремнием до чистой концентрации доноров 110¹⁸ см^-3. Могут также быть использованы другие соответствующие подложки (например, ZnSe, AlAs, GaInP или Ge) и буферные слои (например, AlGaAs, AlAs, GaInP, AlInP, AlInAs или GaInAs). Толщина буферного слоя 28 также может быть различной, хотя она должна обеспечивать надлежащую высококачественную поверхность для наращивания полупроводников II-VI групп. В случае использования соответствующей высококачественной подложки и соответствующей подготовки поверхности буферный слой 28 может не потребоваться.

Постоянные решеток ZnSSe в оболочках 20 и 22 и ZnSe в смежных слоях 24, 14 и 16, 26 соответственно не совпадают примерно на 0,3%. Предварительные исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) показали, что ZnSe в световодных слоях 14 и 16 по крайней мере частично деформирован за счет дислокаций, возникающих на границах раздела световодных слоев и смежных оболочек из ZnSSe 20 и 22 соответственно. Эти предварительные исследования показали также, что толщина активного слоя 18 квантовой ямы из CdZnSe меньше критической толщины для данной системы материалов. Поэтому активный слой 18 с квантовой ямой является псевдоморфным и дислокации в светоизлучающей области лазерного диода 10 минимизированы. Максимальная псевдоморфная толщина для деформированных эпитаксиальных слоев типа слоя 18 зависит от состава и может быть вычислена по формуле, приведенной в работе Мэтьюза и др. "Дефекты в многослойных эпитаксиальных структурах", J. Crystal Growth, т. 27, стр. 118 (1974). Введение слоя 18 с квантовой ямой, который также мог бы быть псевдоморфным слоем из другого полупроводникового материала, например из ZnSeTe, способствует работе лазерного диода 10 при низком пороговом токе, когда он располагается внутри более толстого волновода с малыми потерями II-VI. Волновод может быть выполнен в виде световодных слоев 14 и 16 с более высоким коэффициентом преломления и оболочек 20 и 22 с меньшим коэффициентом преломления, которые могут иметь сравнительно небольшую разницу ширины их запрещенных зон и не требуют точного согласования постоянных кристаллических решеток. Состав световодных слоев может выбираться из условия минимизации дислокаций и/или получения волновода с точным коэффициентом преломления.

На фиг. 2 изображена система молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) 50, использованная для изготовления описанного выше лазерного диода 10. Система для молекулярно-лучевой эпитаксии 50 включает две эпитаксиальных камеры 52 и 54, соединенных сверхвысоковакуумным трубопроводом 56. Каждая из камер 52 и 54 включает высоковольтную электронно-лучевую пушку 58, экран для фосфора 60, нагреватель 90 подложки и датчик потока 62. Эпитаксиальные камеры типа камер 52 и 54 являются общеизвестными и выпускаются серийно. Для изготовления экспериментальных лазерных диодов 10 использовалась установка МЛЭ модели 430 фирмы "Перкин- Элмер".

Эпитаксиальная камера 52 используется для наращивания на подложке 12 буферного слоя GaAs 28 и содержит эффузионный элемент 64 для галлия и диссоциирующий элемент 66 для мышьяка. Предусмотрен также эффузионный элемент 68 для кремния в качестве источника легирующей примеси n-типа. Подложка 12 очищается и подготавливается с использованием обычных или иных известных методов и перед введением в камеру 52 закрепляется на молибденовом держателе (на фиг. 2 не показан) с помощью индиевого припоя. В качестве примера, для изготовления экспериментального лазерного диода 10 были использованы методы подготовки подложки, описанные в статье Чанга и др. "Молекулярно-лучевое эпитаксиальное наращивание ZnSe с использованием диссоциирующего источника селена", J. Vac. Sci. Technol., B8, 181 (1990). Легированный кремнием буферный слой 28 на подложке 12 выращивали, эксплуатируя камеру 52 обычным образом, как это описано, например, в книге "Технология и физика молекулярно-лучевой эпитаксии" под ред. И.Г.К. Паркера, изд-во "Пленум Пресс", 1985. Полученный буферный слой 28 имеет обогащенную мышьяком поверхность, испытывающую перестройку с(4х4), о чем свидетельствуют наблюдения по методу отражательной диффракции высокоэнергетичных электронов (RHEED). После этого образец, состоящий из арсенидгаллиевой подложки 12 и буферного слоя 28, через сверхвысоковакуумный трубопровод 56 переносили в эпитаксиальную камеру 54 для дальнейшей обработки.

Все остальные слои прибора (24, 20, 14, 18, 16, 22 и 26) были выращены на буферном слое 28 и арсенидгаллиевой подложке 12 в эпитаксиальной камере 54. В связи с этим камера 54 имеет эффузионный элемент для Zn 70, эффузионный элемент 72 для диссоциированного Se, эффузионный элемент 74 для ZnS (в качестве источника серы), эффузионный элемент 76 для Cd и стандартный эффузионный элемент 79 для Se (то есть главным образом Se₆). Как показано на рисунке, эффузионный элемент для диссоциированного селена 72 содержит объемный испаритель 84 и высокотемпературную зону диссоциации 82 и служит источником диссоциированного селена (включающего Se₂ и другие молекулы селена с числом атомов менее шести). Объемный испаритель 84 и высокотемпературная зона диссоциации 82, использованные для изготовления экспериментальных лазерных диодов 10, имеют обычную конструкцию, подробное устройство и возможности которой описаны в вышеупомянутой статье Чанга и др. в журнале J. Vac. Sci. Technol. Эффузионный элемент 78 для хлора, в котором исходным материалом служит ZnCl₂, обеспечивает легирование примесью n-типа. Легирование примесью p-типа производится источником свободных радикалов азота 80. Источник свободных радикалов 80 соединен с источником 86 сверхчистого N₂ через натекатель 88. Источник свободных радикалов 80, использованный для изготовления лазерных диодов 10, выпускается серийно фирмой "Оксфорд Эплайд Рисерч Лтд" из Оксфордшира, Англия (модель N MPD21). Этот источник имеет длину 390 мм. Пластина на торце источника, через которую выходит пучок, изготовлена из пиролитического нитрида бора и имеет девять сквозных отверстий диаметром 0,2 мм. Этот источник устанавливается на стандартном вводе для эффузионных элементов через 10-дюймовую (25,4 см) удлинительную трубу. Для изготовления лазерных диодов в источнике 86 использовался азот класса "чистый для анализа", выпускаемый фирмой "Мэтисон Газ Продактс". Давление на выходе натекателя источника 86 составляло 5 фунт/кв.дюйм (34,474 кПа).

Для наращивания контактных, оболочечных и световодных слоев n-типа 24, 20 и 14, соответственно, экспериментальных лазерных диодов 10 эпитаксиальная камера 54 работала так, как описано в статье Чанга и др. "Выращивание ZnSe p- и n-типа методом молекулярно-лучевой эпитаксии", J. Crystal Growth, 95, 512 (1989), с использованием источника 79 Se₆ в качестве источника селена. Активный слой 18 с квантовой ямой наращивался так, как это описано в статье Сэймарса и др. "Молекулярно-лучевая эпитаксия CdSe и производных сплавов Zn_1-xCd_xSe и Cd_1-xMn_xSe", J. Electronic Materials, т. 19, No. 6, стр. 543 (1990).

Для наращивания слоев p-типа - световодного слоя 16 и оболочки 22 - эпитаксиальная камера 54 работала так, как описано в находящейся на одновременном рассмотрении патентной заявке США N 07/573428 Парка и др., озаглавленной "Легирование полупроводников IIB-VIA в ходе молекулярно-лучевой эпитаксии" и поданной 24 августа 1990 г., с использованием источника Se₆ 79. Сущность изобретения, описанного в вышеупомянутой патентной заявке США N 07/573428, воспроизведена ниже.

Для легирования ZnSe в ходе молекулярно-лучевой эпитаксии, в результате которой получаются тонкие эпитаксиальные пленки ZnSe p-типа, используется атомарный легирующий пучок (азота или кислорода), создаваемый источником свободных радикалов. Когда на камеру высокочастотного плазменного разряда в источнике свободных радикалов подается электромагнитная мощность с частотой 13,52 МГц, внутри камеры источника свободных радикалов из газообразного источника сверхвысокой чистоты генерируются атомы легирующей примеси. Для отделения источника свободных радикалов от камеры молекулярно-лучевой эпитаксии была использована рассеивающая пластина, имеющая 18 отверстий диаметром примерно 0,3 мм. Генерируемое количество атомов легирующей примеси регулировали за счет уровня подаваемой ВЧ-мощности и давления в камере высокочастотного плазменного разряда. Атомы легирующей примеси, поступающие в камеру молекулярно-лучевой эпитаксии через отверстия в рассеивающей пластине, использовались в качестве легирующей примеси в ходе молекулярно-лучевого эпитаксиального наращивания ZnSe.

В одном из вариантов реализации тонкие слои ZnSe наращивались на хорошо отполированную поверхность GaAs, у которой вектор нормали к поверхности был направлен существенно вдоль кристаллографической ориентации [001]. Существует множество поставщиков как подложек из GaAs, например фирма "Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. ", 1-1 Койякита 1-чоме, Итами, Хиого, 664 Япония, так и эпитаксиальных слоев GaAs, например "Спайри Корпорейшн", Пэтриотс Парк, Бедфорд, Массачусетс, 01730, пригодных для данной цели. Перед загрузкой в систему молекулярно-лучевой эпитаксии для наращивания ZnSe арсенидгаллиевые подложки обезжиривали в трихлорэтилене, ацетоне и изопропиловом спирте, ополаскивали в деионизованной воде и сушили путем обдува высокочистым газообразным азотом. Обезжиренные подложки подвергали химическому травлению в растворе, состоящем из шести частей серной кислоты, одной части перекиси водорода и одной части деионизованной воды, в течение нескольких минут (примерно от двух до пяти минут). Подложки ополаскивали в деионизованной воде и сушили путем обдува высокочистым газообразным азотом. После этого обезжиренные и химически протравленные подложки прикрепляли к молибденовым держателям, используя в качестве припоя расплав индия высокой чистоты. Подложки на держателях сразу же загружались в систему молекулярно-лучевой эпитаксии. В сверхвысоковакуумной камере наращивания арсенидгаллиевые подложки в течение одной-пяти минут прогревались при температуре около 610^oC для десорбции естественных окислов и обнажения нижележащей кристаллической структуры, на которую должен быть нанесен ZnSe с такой же кристаллической структурой. Типичные режимы наращивания ZnSe посредством молекулярно-лучевой эпитаксии являются следующими: отношение эквивалентных давлений цинка и селена в пучке 1: 2 (в диапазоне примерно от 1:4 до 2:1) и температура наращивания 275^oC (в диапазоне примерно от 250 до 400^oC). Типичные толщины слоев и скорости наращивания равняются 2 мкм и 0,5 мкм/ч (в диапазоне примерно от 0,4 мкм/ч до 2,0 мкм/ч) соответственно. Атомные легирующие примеси, генерируемые с помощью источника свободных радикалов, внедрялись в ZnSe при открывании механической заслонки, перекрывающей линию прямой видимости между источником свободных радикалов и нагретыми подложками.

В последние годы в исследованиях ZnSe, полупроводникового соединения IIB-VIA групп с большой шириной запрещенной зоны (ES =2,67 эВ при комнатной температуре), особое внимание уделялось получению низкоомного материала p-типа. В настоящем изобретении используются способ и устройство для получения эпитаксиальных структур, содержащих p-n-переходы в ZnSe. Это полезно для изготовления эффективных светоизлучающих приборов, таких как светоизлучающие диоды и диодные лазеры, работающие в синей области видимого спектра.

Прекрасным легирующим элементом p-типа в ZnSe являются азот или кислород. В дополнение к тому, что они обеспечивают большую чистую концентрацию акцепторов (примерно более 510¹⁵ см^-3) и малую компенсацию (ND/NA примерно менее 0,8), азот и кислород стабильны в ZnSe при температурах до 375^oC.

Эпитаксиальные слои ZnSe/GaAs, получаемые путем легирования пучком атомарного азота в проц