專利名稱：有高傳導(dǎo)載流子隧穿電流窗孔的光電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生光發(fā)射的光電子裝置，更具體說，是涉及用于激光二極管及有關(guān)的光電子裝置的高傳導(dǎo)載流子隧穿電流窗孔。
背景技術(shù)：
高效率的激光二極管，特別是那些有垂直諧振腔并產(chǎn)生單橫模輻射的激光二極管，要求把橫向電流壓縮至10微米或更小的直徑。附加的電壓降由于電流窗孔的存在，導(dǎo)致閾值電壓的增加。使注入的電流隧穿如此小的面積，還在裝置內(nèi)部產(chǎn)生額外的熱量。由于光-電流曲線的熱翻轉(zhuǎn)，熱量產(chǎn)生得越多，光輸出功率越低。裝置內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，還造成熱致透鏡的存在，而熱致透鏡則促進不需要的高階橫模的建立。該窗孔引起的復(fù)折射率(實部和虛部兩者)沿徑向分布的變化，會導(dǎo)致散射損耗。
現(xiàn)有用于限制激光二極管中電流的已知技術(shù)，是臺式晶體管蝕刻或質(zhì)子注入。在垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)及邊緣發(fā)射裝置中，通過壓縮流經(jīng)優(yōu)先氧化的窗孔的電流，可以獲得非常高的電光轉(zhuǎn)換效率。在由III-V型半導(dǎo)體材料系統(tǒng)，如InAlGaAs形成的VCSEL中，如在U.S.Patent No.5,262,360所公開那樣，常常用包含多層的鋁氧化物。這些高含鋁層一般被含鋁少得多的層包圍。在氧化時，鋁砷(AlAs)被變換為AlxOy層，厚度通常在100nm以下。流過垂直于各層平面的窗孔的電流，受窗孔內(nèi)含鋁層電阻的限制，該種限制只有在非常薄的層中，才幾乎毫無例外地是高含鋁層和低含鋁層之間異質(zhì)結(jié)的函數(shù)。由于窗孔周邊折射率的躍變，誘發(fā)頗大的光波散射，導(dǎo)致諧振腔損耗的增加。AlxOy層的收縮還導(dǎo)致半導(dǎo)體晶體中的變形，這種變形對裝置的穩(wěn)定性和壽命有負(fù)面影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種有高傳導(dǎo)載流子隧穿電流窗孔的光電子裝置。本裝置包括位于中央的電流窗孔，由III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物制成的量子層形成，該電流窗孔用第一種摻雜物摻雜。該電流窗孔在橫向上由III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物的氧化物限制。相鄰層也由第一種摻雜物摻雜的半導(dǎo)體材料形成。
在電流窗孔的開孔中使用III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物(compound)，能以極低的振蕩模散射和衍射所產(chǎn)生的光損耗，提供最大可能的電的傳導(dǎo)性。此外，與現(xiàn)有使用III-V半導(dǎo)體材料比較，由于降低了III-IV-V半導(dǎo)體材料氧化物大小的變化，窗孔形成時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，在該多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中降至最小。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，將對前述發(fā)明內(nèi)容以及下面本發(fā)明的詳細(xì)說明有更好的了解。為本發(fā)明的說明目的，圖中畫出的實施例是目前優(yōu)選出來的。但應(yīng)指出，本發(fā)明不受畫出的準(zhǔn)確安排和手段的限制。附圖有圖1按照本發(fā)明第一優(yōu)選實施例，畫出n摻雜載流子隧穿電流窗孔的側(cè)視截面圖；和圖2按照本發(fā)明第二優(yōu)選實施例，畫出n摻雜載流子隧穿電流窗孔的側(cè)視截面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖1，圖上畫出一種用于光電子裝置10(圖中只畫出一部分)的高傳導(dǎo)載流子隧穿窗孔，該種光電子裝置諸如VCSEL，如在U.S.Patent No.5,262,360或5,594,751所示。該電流窗孔，由層12中III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物制成的中央應(yīng)變量子勢壘層形成。電流窗孔的第一優(yōu)選實施例是對電子的，同時，該III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物最好由AlxGaySi1-x-yAs形成在層12中，這里x和y小于1，且x+y也小于1。在該種半導(dǎo)體中，同時有正負(fù)電荷的Si原子，位于III族和V族晶格的位置。因為同時有正負(fù)電荷的特性，Si能夠被結(jié)合，無需宏觀摻雜AlGaAs。該III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物用碲(Te)或硒(Se)摻雜。最好是，x在0.8-0.98范圍，而y在0.19-0.01范圍。在一個優(yōu)選實施例中，x＝0.97和y＝0.01。
層12最好位于相鄰半導(dǎo)體層14、16之間，該兩層也是n摻雜的。這些層最好包含AlxGa1-xAs，這里x小于1。在一個優(yōu)選實施例中，x＝0，所以層14和16由GaAs形成，該GaAs的n摻雜濃度為5*1017cm-3。
在III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物AlGaSiAs中，IV族成分Si的濃度的選擇，要使各層中Fermi能級平衡，并使隧道勢壘幾乎消失，以便能實現(xiàn)低電阻的電流流動。電流模型表明，濃度小于2％的Si，足以按保持變形的AlGaSiAs量子勢壘低于臨界層厚度方式，使Fermi能級平衡。
為形成III-IV-V半導(dǎo)體材料的高傳導(dǎo)中央變形電流窗孔20，要用Si的優(yōu)先濕氧化，和包含AlGaSiAs的III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物的高濃度Al層12，形成高電阻區(qū)域，如22所指出。氧化結(jié)果是得到具有高的電阻率的AlGaSiO絡(luò)合物。包圍窗孔20的高電阻環(huán)帶區(qū)22，對電流的流動是有效的隧道勢壘。為避免散射損耗，要把有窗孔20的中央層12，置于VCSEL電磁駐波圖的波節(jié)。從窗孔到有源層的實際距離，最好至少接近波長的四分之一，但也可以用高達(dá)接近發(fā)射波長10倍的更大的距離。量子勢壘層12的薄的厚度，導(dǎo)致氧化過程中產(chǎn)生極其低的機械應(yīng)力。
由III-IV-V半導(dǎo)體材料形成的有高傳導(dǎo)載流子隧穿電流窗孔22的光電子裝置，與已有的由III-V半導(dǎo)體材料形成的裝置比較，優(yōu)點是降低了串聯(lián)電阻和以較低耗散功率提供更高的轉(zhuǎn)換效率。此外，由于III-IV-V半導(dǎo)體層12位于駐波的波節(jié)，所以在諧振腔內(nèi)有更低的散射損耗，從而更高的微分量子效率。由于較低的功率消耗，以及通過限制III-IV-V半導(dǎo)體材料的氧化生成物而降低機械應(yīng)力的產(chǎn)生，該裝置的整體機械穩(wěn)定性也有改善。
在第一優(yōu)選實施例中，層12的厚度t1為5-20nm，而相鄰層14和16的厚度t2、t3為50-200nm。窗孔20的直徑d較好是0.5-500微米，更好是在小于10微米的范圍。起限制作用的氧化物的寬度a，可以從5至50微米。但是，本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)知道，如果需要，也可以用其他尺寸。
在形成光電子裝置，如VCSEL時，層12、14、和16最好用分子束外延(MBE)生長。在U.S.Patent No.5,493,577中說明一種適用的處理方法。也可以用金屬有機化學(xué)汽相淀積過程來生長這些層。
在窗孔內(nèi)使用III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物來降低電阻，主要是因為在異質(zhì)結(jié)上的能帶偏移。本發(fā)明另外的一個優(yōu)點，是由于Si對氧的高的親合力，對層12的濕氧化有較高的處理速率。本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)知道，在n摻雜的III-IV-V半導(dǎo)體材料中，可以用鍺(Ge)代替硅(Si)，因為鍺對氧也有高的親合力，并且對低隧穿電阻有合適的Fermi能級值。把與諸如AlGaSiGeAs有關(guān)的復(fù)合物用于窗孔層也是可以的。
現(xiàn)在參考圖2，圖上畫出一種有高傳導(dǎo)載流子隧穿窗孔的光電子裝置30(圖中只畫出一部分)第二實施例。電流窗孔與上面討論的電流窗孔20類似，但用空穴并且是p摻雜的。高傳導(dǎo)載流子隧穿窗孔40由層32形成，層32同樣由III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物制成，該復(fù)合物最好包含AlxGayC1-x-yAs，這里x小于1，y小于1，且x+y＜1。在一個優(yōu)選實施例中，x的范圍為0.8-0.98，y的范圍為0.19-0.01。在一個優(yōu)選實施例中，x＝0.9和y＝0.08。
最好是，III-IV-V半導(dǎo)體層32形成于相鄰半導(dǎo)體層34、36之間，該兩層也是p摻雜的，濃度為5*1017cm-3。層34和36最好由AlxGa1-xAs材料形成，這里x小于1，而在一個優(yōu)選實施例中，x＝0。
通過按上述結(jié)合第一優(yōu)選實施例討論的相同方式，把環(huán)帶的外側(cè)部分42濕氧化，使電流窗孔40限制在層32內(nèi)。層t1、t2、和t3的厚度，與上述結(jié)合第一優(yōu)選實施例討論的相同。形成電流窗孔40的III-IV-V的p摻雜半導(dǎo)體材料直徑d，最好在0.5-500微米之間。層32起限制作用的氧化部分42的寬度a，最好是5-50微米。
第二優(yōu)選實施例與用p摻雜III-IV-V半導(dǎo)體材料的第一優(yōu)選實施例有相同的優(yōu)點，且在形成該光電子裝置時，最好用外延生長。
據(jù)此，按照本發(fā)明的電流窗孔，能夠在諸如VCSEL的光電子裝置內(nèi)有源層的任一側(cè)上形成，并用與該側(cè)半導(dǎo)體層相同種類的摻雜物摻雜。
雖然已經(jīng)用優(yōu)選實施例來說明本發(fā)明，但本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)知道，其他的變化都包含在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，本領(lǐng)域熟練人員顯然知道，能夠改變上述實施例而不違背其廣泛的創(chuàng)造性概念。因此應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明不限于公開的特定實施例，還涵蓋本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的變化，本發(fā)明的精神和范圍如后面權(quán)利要求書所規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種有高傳導(dǎo)載流子隧穿電流窗孔的光電子裝置，特征是位于中央的電流窗孔，由以第一種摻雜物摻雜的III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物制成的量子層形成，在橫向上受III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物的氧化物、和由第一種摻雜物摻雜的半導(dǎo)體材料形成的相鄰層的限制。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，還有特征是，該III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物包括AlxGaySi1-x-yAs，這里x＜1，y＜1，和x+y＜1。
3.按照權(quán)利要求2的裝置，還有特征是，該III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物是n摻雜的。
4.按照權(quán)利要求1的裝置，還有特征是，該種IV半導(dǎo)體材料選自包括碳、硅、和鍺的一個組。
5.按照權(quán)利要求1的裝置，還有特征是，該量子層的厚度約5nm到25nm。
6.按照權(quán)利要求1的裝置，還有特征是，該量子層位于該光電子裝置駐波圖的波節(jié)。
7.按照權(quán)利要求1的裝置，還有特征是，該III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物包括AlxGayC1-x-yAs，這里x＜1，y＜1，和x+y＜1。
8.按照權(quán)利要求7的裝置，還有特征是，該III-IV-V半導(dǎo)體復(fù)合物是p摻雜的。
9.按照權(quán)利要求1的裝置，還有特征是，該電流窗孔的寬度為0.5至500微米。
10.按照權(quán)利要求1的裝置，還有特征是，該裝置包括VCSEL，且該電流窗孔接近有源層放置。
11.按照權(quán)利要求1的裝置，還有特征是，該裝置有單模發(fā)射，且該電流窗孔的寬度為0.5至10微米。
全文摘要
一種有高傳導(dǎo)載流子隧穿電流窗孔的光電子裝置。該裝置包括位于中央的電流窗孔，由以第一種摻雜物摻雜的III－IV－V半導(dǎo)體復(fù)合物制成的量子層形成。該電流窗孔在橫向上受III－IV－V半導(dǎo)體復(fù)合物的氧化物限制。相鄰層也由第一種摻雜物摻雜的III－IV－V半導(dǎo)體材料形成。
文檔編號H01S5/183GK1479960SQ01820106
公開日2004年3月3日 申請日期2001年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月2日
發(fā)明者卡爾·J·埃貝林, 卡爾 J 埃貝林 申請人:U-L-M光子學(xué)有限公司