CN100479279C - InP基板上的Ⅱ-Ⅵ/Ⅲ-Ⅴ多层结构 - Google Patents
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Abstract
提供一种包括InP基板和II-VI及III-V材料交替层的多层结构。一般地，II-VI及III-V材料交替层与InP基板晶格匹配或者假同晶。一般地，II-VI材料选自ZnSe、CdSe、BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、BeS、MgS和它们的合金，更一般地，选自CdZnSe、CdMgZnSe、BeZnTe和BeMgZnTe合金，最一般选自CdxZn1-xSe，其中x在0.44和0.54之间。一般地，III-V族材料选自InAs、AlAs、GaAs、InP、AlP、GaP、InSb、AlSb、GaSb和它们的合金，更一般地选自InP、InAlAs、GaInAs、AlInGaAs和GaInAsP合金，最一般地选自InP或InyAl1-yAs，其中y在0.44和0.52之间。在一个实施方案中，该多层结构形成一个或多个分布布喇格反射镜(DBR)。另一方面，本发明提供一种含有InP基板和分布布喇格反射镜(DBR)的多层结构，该分布布喇格反射镜具有95%或更高的反射率并至多包括15对外延半导体材料涂层。另一方面，本发明提供一种含有本发明所述多层结构的激光器。另一方面，本发明提供一种含有本发明所述多层结构的光电探测器。
Description
技术领域
本发明涉及包含InP基板和通常形成分布布喇格反射镜(DBR)的II-VI和III-V族材料交替层的装置，如激光器或光电探测器，包括垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。
背景技术
日本未审专利申请(Kokai)2003-124508要求保护具有AlGaInP型发光层的发光二极管(权利要求1-8)。该参考文献的第2、15和21段以及权利要求1着重强调了各层与砷化镓衬底的“栅格匹配性(grid-matching)”。该参考文献要求保护具有AlGaInP型发光层的发光二极管，该发光层含有的DBR层结构包括层叠的成对的II-VI族材料层和AlGaAs型或AlGaInP型材料层(权利要求2-4)。据称该参考文献公开了具有AlGaInP型发光层的发光二极管，该发光层含有在GaAs基板上的GaAlAs/ZnSe DBR层(图1-3，参考号2及所附说明)，和可选地，为GaAlAs/AlAs DBR层的第二DBR层(图3，参考号10及所附说明)。
美国专利5,206,871据称公开了一种含有反射镜的VCSEL，该反射镜包含GaP或ZnS层和硼硅玻璃、CaF2、MgF2或NaF层的交替层。
美国专利5,732,103据称公开了一种VCSEL，包含InP基板和晶格匹配的反射镜堆叠，该堆叠包含II-VI材料的交替层，尤其是ZnCdSe/MgZnCdSe。
美国专利5,956,362据称公开了一种VCSEL。
公开号WO02/089268A2的国际专利据称公开了包含氧化物材料、用于VCSEL的高对比度反射镜。
发明内容
简要地讲，本发明提供一种包含InP基板和II-VI与III-V族材料交替层的多层结构。II-VI和III-V族材料的交替层一般与InP基板晶格匹配或假同晶(pseudomorphic)。一般地，该II-VI材料选自ZnSe、CdSe、BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、BeS、MgS和它们的合金，更一般地，选自CdZnSe、CdMgZnSe、BeZnTe和BeMgZnTe合金，最一般选自CdxZn1-xSe，其中x在0.44和0.54之间。一般地，III-V族材料选自InAs、AlAs、GaAs、InP、AlP、GaP、InSb、AlSb、GaSb和它们的合金，更一般地选自InP、InAlAs、GaInAs、AlInGaAs和GaInAsP合金，并且最一般地选自InP或InyAl1-yAs，其中y在0.44和0.52之间。II-VI和III-V族材料交替层中的一个可以与InP基板直接接触，或另外的层可插入II-VI与III-V族材料的交替层和InP基板之间。在一个实施方案中，该多层结构形成一个或多个分布布喇格反射镜(DBR)。一般地，这种DBR可由至多20对II-VI和III-V族材料的交替层制成，并且更一般地，至多15对。一般地，这些II-VI和III-V族材料的层的平均厚度在约100纳米到约200纳米之间。
另一方面，本发明提供一种多层结构，其包含：InP基板和反射率为95％或更高、含有至多15对外延半导体材料层的分布布喇格反射镜(DBR)。
另一方面，本发明提供一种包含本发明所述多层结构的激光器。
另一方面，本发明提供一种包含本发明所述多层结构的光电探测器。
在本申请中：
″晶格匹配″是指，参照两种晶体材料，如基板上的外延膜，分离的每种材料具有一个晶格常数，而且这些晶格常数基本上是相等的，一般彼此之间的差异至多0.2％，更一般地彼此之间的差异至多0.1％，最一般地彼此之间的差异至多0.01％；和
″假同晶″是指，比照给定厚度的第一晶体层和第二晶体层，如外延膜和基板，分离的每层具有一个晶格常数，而且这些晶格常数非常相近，以致第一层在给定厚度中，能够在层平面中采用第二层的晶格间距而基本上没有位错缺陷。
本发明的优点是提供了一种多层结构，其能作为高反射率DBR用于长波InP装置，如激光器或光电探测器，包括VCSEL，并且尤其是能够以较少的层获得适宜的高反射率的多层结构。
附图说明
图1是根据本发明为DBR的多层结构的示意图。
图2是根据本发明的多层结构的横截面的扫描电子显微照片。
图3是根据下述实施例中描述的本发明的方法测量一个2对CdZnSe/InAlAs的DBR的反射率与波长的关系图(线A)。图3还给出了根据本发明的2对CdZnSe/InAlAs的DBR的模拟反射率数据(线B)。图3还给出了两个对比III-V/III-V DBR的模拟反射率数据：一个2对InGaAsP/InP的DBR(线C)和一个2对AlGaAsSb/AlAsSb的DBR(线D)。
具体实施方式
简单地讲，本发明提供一种包含InP基板和II-VI与III-V族材料交替层的多层结构。一般地，II-VI和III-V族材料的交替层与InP基板晶格匹配或假同晶。
任何适当的II-VI材料都可以用于实施本发明。一般地，II-VI材料选自ZnSe、CdSe BeSe、MgSe、ZnTe、CdTe、BeTe、MgTe、ZnS、CdS、BeS、MgS及其合金构成的组。适宜的合金一般包括1-4种不同的II族材料和1-3种不同的VI族材料，更一般地，包括1-3不同的II族材料和1-2种不同的VI族材料。适宜的合金可包括通式为M1 nM2 (1-n)M3 pM4 (1-p)的合金，其中M1和M2分别选自Zn、Cd、Be和Mg；M3和M4分别选自Se、Te和S；其中n是0和1之间的作何数值；其中P是0和1之间的任何数值。适宜的合金可包括通式为M5 qM6 (1-q)M7的合金，其中M5和M6分别选自Zn、Cd、Be和Mg；M7选自Se、Te和S；并且其中q是0和1之间的任何数值。在上述通式中，一般选择n、p和q值以提供与InP晶格匹配或假同晶的合金。在一个实施方案中，通过直线内插法从合金双组分的晶格常数估算合金的晶格常数，以找到与InP是晶格匹配或假同晶的合金成分。更一般地，II-VI材料选自CdZnSe、CdMgZnSe、BeZnTe、BeMgZnTe，和最一般地CdxZn1-xSe，其中x在0.44和0.54之间。可以通过包含任何适宜的掺杂物或任何适宜的方法，包括氯掺杂或氮掺杂，对II-VI材料进行n掺杂，p掺杂，或不掺杂。
任何适宜的III-V材料可以用于本发明。一般地，III-V材料选自InAs、AlAs、GaAs、InP、AlP、GaP、InSb、AlSb、GaSb和它们的合金构成的组。适宜的合金一般包括1-3种不同的III族材料和1-3种不同的V族材料，更一般地，包括1-2种不同的V族材料。适宜的合金可包括通式为M8 rM9 (1-r)M10 sM11 (1-s)的合金，其中M8和M9分别选自In、Al和Ga；M10和M11分别选自As、P和Sb；其中r是0和1之间的作何数值；s是0和1之间的任何数值。适宜的合金可包括通式为M12 tM13 (1-t)M14的合金，其中M12和M13分别选自In、Al和Ga；M14选自As、P和Sb；并且其中t是0和1之间的任何数值。在上述通式中，一般选择r、s和t值以提供与InP晶格匹配或假同晶的合金。在一个实施方案中，通过直线内插法从合金双组分的晶格常数估算合金的晶格常数，以找到与InP是晶格匹配或假同晶的合金成分。更一般地，III-V材料选自InP、InAlAs、GaInAs、AlInGaAs、GaInAsP，和最一般地，InP或InyAl1-yAs，其中y在0.44和0.52之间。可以通过包含任何适宜的掺杂物或任何适宜的方法对III-V材料进行n掺杂，p掺杂，或不掺杂。
任何适宜的InP基板可以用于实施本发明。可以通过任何适宜的方法或包含任何适宜的掺杂物对InP基板进行n掺杂，P掺杂或半绝缘化。
在根据本发明的多层结构的一个实施方案中，II-VI和III-V族材料的交替层中的至少一个与InP基板直接接触。在一个替换的实施方案中，另外的层插入在II-VI和III-V族材料的交替层与InP基板之间。在另外的层插入在II-VI和III-V族材料的交替层与InP基板之间时，它们可包含任何适宜的层。一般地，这些插入层与InP基板是晶格匹配或假同晶的。插入层可以包括VCSEL构件，如电接触层、缓冲层、光波导管层、活化层、量子阱层、电流扩布层、覆盖层、阻挡层等等。插入层可以包括光电探测器的构件，如电接触层、覆盖层、吸收层、缓冲层等等。
II-VI与III-V材料层可以具有任何适宜的厚度。II-VI与III-V材料层的各自或平均厚度在0.1nm到10,000nm之间，更一般地在10到1,000nm之间，更一般地在50nm到500nm之间，和更一般地在100nm到200nm之间。
在一个实施方案中，该多层结构形成一个或多个分布布喇格反射镜(DBR)。形成DBR的多层结构包括任何适宜对数的II-VI和III-V族材料，从2对到很大的数量。在一个实施方案中，多层结构具有足够的反射率，以致利用至多20对II-VI和III-V族材料层就可以产生DBR，更一般地至多15对，更一般地至多12对，更一般地至多10对。在另一个实施方案中，多层结构具有足够的反射率，可以在至多8对，和更一般地至多5对的情况下产生适宜的有效DBR。
在DBR中，层厚度是材料中光波长的四分之一：
t＝λ/4n
其中t是层的厚度，λ是光的波长，n是材料的折射率。以根据本发明含有Cd0.52Zn0.48Se和In0.52Al0.48As层的DBR反射镜为例，将其设计为在1.55μm的波长下具有最大的反射率。在1.55μm下，Cd0.52Zn0.48Se的折射率是2.49，因此Cd0.52Zn0.48Se层的厚度应该是156nm。在1.55μm下In0.52Al0.48As的折射率是3.21，因此In0.52Al0.48As层的厚度应该是121nm。在一个实施方案中，多层结构形成一个或多个在1-2微米范围内的波长处具有最大反射率的分布布喇格反射镜(DBR)。
在一个实施方案中，多层结构形成一个或多个组成激光器(如，VCSEL)的部件的分布布喇格反射镜(DBR)。VCSEL可以在任何适宜的波长下操作。在一个实施方案中，VCSEL在1μm到2μm的波长下操作，该范围可以降低在通过光学纤维传送过程中的色散和衰减。一般地，VCSEL在光纤网络的操作波长处操作，一般约1.3μm或1.55μm。
在一个实施方案中，该多层结构形成一个或多个形成光电探测器部件的分布布喇格反射镜(DBR)。该光电探测器可用于无线电通讯，其中它能对千兆赫频率信号进行光-电转化。典型的光电探测器工作原理是通过吸收光能和相关的生成载流子，输送光生载流子经过吸收区域，并收集载流子以及产生光电流。可以通过任何适宜的方法制备根据本发明的多层结构，包括分子束外延法、化学蒸汽淀积法、液相外延法和汽相外延法。一般地，根据本发明的多层结构可不需要晶片融合(wafer fusion)而制备。
本发明适用于光电技术，包括光电通信技术。
本发明的目的和优点在下面的实施例中将进一步的说明，但这些实施例所叙述的特定材料和它们的用量，以及其它条件和细节，不应被视为构成对本发明不适当的限制。
实施例
DBR的形成
在InP基板上形成具有2对II-VI和III-V外延半导体材料交替层的分布布喇格反射镜(DBR)。图1示意性示出了所得结构，包括InP基板10，InAlAs缓冲层20，第一CdZnSe层30，第一InAlAs层40，第二CdZnSe层50，第二InAlAs层60，和InGaAs覆盖层70。CdZnSe层30和50以及InAlAs层40和60形成DBR 80。II-VI材料是用氯进行n型掺杂的Cd0.52Zn0.48Se。III-V材料是用硅进行n型掺杂的In0.52Al0.48As。
将反射镜设计为在1.55μm下具有最高反射率。为此，InAlAs和CdZnSe层额定厚度分别是121nm和156nm。
所用仪器是Perkin-Elmer 430固体源分子束外延(MBE)系统。该系统包括两个通过超高真空传输管连接的生长室，其中一个用于As基III-V材料，另一个用于II-VI材料。晶片经由超高真空管道在两个室之间来回传递用于涂覆不同的层。
在As超压，温度565℃下，在III-V室中对(100)晶向的n型S掺杂InP基板脱氧。然后在540℃下生长120nm厚的InAlAs缓冲层用作沉积源：In泻流室(effusion cell)，Al泻流室和As阀裂化室(valvedcracker cell)。在缓冲层生长之后，晶片转入II-VI室中用于生长第一CdZnSe层。将Zn在185℃下暴露15分钟来引发生长，然后在200℃通过移动增强外延法(migration enhanced epitaxy)形成Cl掺杂的CdZnSe薄层。然后基板的温度逐渐升到270℃，并且其余的Cl掺杂CdZnSe层生长出来，厚度达到156nm。在生长CdZnSe之后，样品传递回III-V室。为了降低在InAlAs高温生长期间CdZnSe层任何组分的损失，在300℃下生长5nm厚的Si掺杂InAlAs覆盖层。然后其余的121nm厚的Si掺杂InAlAs层在540℃下生长，从而形成第一CdZnSe/InAlAs反射镜偶。在与第一反射镜偶相同的生长条件下生长第二反射镜偶。最后，在该结构上面生长5nm厚的n-InGaAs覆盖层，它由用硅进行n型掺杂的In0.53Ga0.47As组成。
X射线衍射
在校准试样上用Bede scientific QCIa双晶衍射计进行X射线衍射(XRD)，证明InP基板上的InAlAs和CdZnSe层的成分是晶格匹配的。分别生长出两个校准试样：InP基板上的CdZnSe和InP基板上的InAlAs。
SEM
将如上所述形成的DBR反射镜截取断面并在Hitachi S4700扫描电子显微反射镜(SEM)下检测。图2是样品的扫描电子显微照片。显微照片显示InP基板10，InAlAs缓冲层20，第一CdZnSe层30，第一InAlAs层40，第二CdZnSe层50，第二InAlAs层60，和InGaAs覆盖层70。显微照片显示CdZnSe和InAlAs层的厚度分别约为142nm和116nm，比预定值略薄。
反射率
使用Perkin-Elmer Lambda 900UV/VIS/NIR分光计测量如上所述形成的DBR反射镜的反射率。所得数据显示在图3的线A中。对于2对CdZnSe/InAlAs的DBR反射镜，最高反射率是1.45μm下的66％。反射镜反射率是通过使用从SEM得出的厚度值，基于传递矩阵计算法模拟出来的。(关于传递矩阵计算的更多信息请参看：Theodor Tamir(ed.)“Guided-Wave Optoelectroncs，”2nd Edition，Springer-Verlag)。如图3显而易见的，模拟曲线(图3，线B)与试验数据非常吻合。图3还显示了两个对比III-V/III-V DBR的模拟反射率与波长的函数关系：2对InGaAsP/InP(线C)和2对AlGaAsSb/AlAsSb的DBR(线D)。2对AlGaAsSb/AlAsSb的DBR反射镜的反射率只有46％，2对InGaAsP/InP的反射镜的反射率只有40％。在相似厚度下，本发明的DBR与现有可用的长波DBR相比，其反射率得到大大地提高。由此数据推论，用15对或者更少对层，可以达到95％的反射率。
本发明的各种修改和变化对于本领域的熟练技术人员都是显而易见的，而未背离本发明的范围和原理，并且上述的具体实施方案不应被理解为对本发明不适当的限制。
Claims (8)
1.一种多层结构，其包括：
InP基板；以及
II-VI和III-V材料的交替层；
所述II-VI材料选自BeZnTe、BeMgZnTe和CdxZn1-xSe构成的组，其中x在0.44和0.54之间；
其中，所述II-VI和III-V材料的交替层形成一个或多个分布布喇格反射镜。
2.如权利要求1所述的多层结构，其中，所述III-V材料为InyAl1-yAs，其中y在0.44和0.52之间。
3.如权利要求1所述的多层结构，其中，每个分布布喇格反射镜包括至多15对II-VI和III-V材料的交替层，并且具有95％或者更大的反射率。
4.如权利要求1所述的多层结构，其中，所述的III-V材料选自InAs、AlAs、GaAs、InP、AlP、GaP、InSb、AlSb、GaSb和它们的合金构成的组。
5.如权利要求1所述的多层结构，其中，所述的III-V材料选自InP、InAlAs、GaInAs、AlInGaAs、GaInAsP构成的组。
6.如权利要求1所述的多层结构，其中，所述的分布布喇格反射镜在1-2微米范围内的波长处具有最大的反射率。
7.如权利要求1所述的多层结构，其中，所述层对与所述InP基板晶格匹配或者与所述InP基板假同晶。
8.如权利要求1所述的多层结构，其中，所述交替层中的每一层具有在100nm和200nm之间的平均厚度。
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