光电子半导体元件 本发明涉及一种具有适于产生电磁辐射的半导体本体的光电子半导体元件，在该半导体本体中，在一个尤其是n型导电的半导体衬底上设置一个有源层序列，在此序列中，当电流通过半导体本体时产生电磁辐射，以及为该层序列至少安排一个不容易掺杂的第一导电类型的半导体层，尤其是具有一个P掺杂的ZnSe的II-VI半导体层，具有一个P掺杂的GaN的III-V半导体层或具有一个n掺杂的CdTe的II-VI半导体层。
由美国专利文献5,268,918例如已经公开了一种这类光电半导体元件。该文献叙述了一种半导体激光器元件的半导体本体，其中在由n型或P型导电的GaAs或GaP组成的半导体衬底上淀积一个n型或P型导电的由ZnMgSSe或BeZnSTe组成的第一罩层(Mantelschicht)，在此层上又安置一个由ZnSSe或ZnCdSe组成的有源层。在此有源层上有一个P或n型导电地由ZnMgSSe或BeZnSTe组成的第二罩层。按照US5,268,918的这种光电元件是建立在所谓的“分开限制异质结构”(SCH)原理基础上的。在这种层结构中电荷载流子和所产生的光波是被相互独立地引导的。电子和空壳被注入到光发射有源区，该有源区是由单量子阱或多量子阱结构(Single Quantum Well，SQW或Multiple Quantumwell，MQW)组成的，并且因此比与此有源区相邻界的势叠层具有较小的禁带宽度。这些势叠层(波导层)比有源区具有较小的折射率并且同时比与此势叠层相邻界的罩层具有较大的折射率。通过这种折射率差使所产生的光波限制在围绕有源区的狭窄区域内。通过两个罩层的相反掺杂形成一个pn结，通过加上适当的电压将载流子注入该pn结。
类似的光电子半导体元件例如在A.Ishibashi所著“II-VI兰-绿激光二极管”IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics，1，741至748页(1995年)和在专利文献JP-07-066494中有所叙述。
SQW和MQW半导体激光器和SCH结构的原理性结构例如已在W.Buldan所著半导体光电子学，Hanser Verlag出版社，慕尼黑，维也纳，1995年第182至187页已有叙述，并且因此这里不再详述。
在半导体技术中常出现某些半导体材料难以进行P型或n型掺杂的问题。有关这方面尤其是涉及II-IV半导体材料，它们是ZnSe(不易P掺杂；尤其是ZnMgSSe或BeMgZnSe)或CaTe(不易n掺杂)，或III-V半导体材料，它们是GaN(不易P掺杂)。
特别是在以II-VI半导体材料为基础的具有SCH结构的SQW和MQW半导体激光器中，在这些激光器中使用了ZnSe为基础的半导体材料，特别是ZnMgSSe或BeMgZnSe组成的一个P型导电的盖层(波导层或罩层)，这个问题显著地影响着激光器的功能特性。通过改变Mg和S或Be和Mg的浓度可以调整上述材料的禁带宽度和折射率。但是，随着镁和硫或铍和镁所占比例的增加，在上述组合中作为受主为了P型导电所应用的激活等离子体的氮的效率下降。从而具有较高Mg和S的浓度或较高Be和Mg的浓度的薄层总是有大的电阻。此外，由此也增加了这些薄层的接触电阻，从而进一步恶化激光器元件的特性。在常规的II-VI半导体激光器中，这些问题导致只能使用具有最大禁带宽度约为2.95eV(300K)的盖层。
由于这种限制，在量子阱结构(SQW或MQW)的半导体材料与罩层之间的势垒高度明显地受到限制，从而在量子阱中不能封存足够的载流子。
正是为了实现小于约500nm的发射波长，制造较高的势垒确实是重要的，但是到目前为止在ZnMgSSe-SCH半导体激光器中是难以实现的。此外，此罩层中有低的Mg和S的浓度时，在波导层和罩层之间的折射率突变相对较小，所以在有源区中产生的光波只能是弱传导。
在已知的II-VI半导体激光器中的另一问题是制造与P型导电层的欧姆接触。为了在半导体激光器P型导电一侧改善这种欧姆接触，到目前为止一般采用由ZnSe和ZnTe组成的超晶格，在这种超晶格中由于ZnSe和ZnTe之间晶格的高度失配所以结构质量很差。此外也曾建议将BeZnTeSe渐变层或BeTe/ZnSe伪渐变层用作P型接触。在这些接触层中，在技术上很难防止在半导体表面的吸湿性材料BeTe的氧化。在采用BeZnTeSe渐变层或BeTe/ZnSe伪渐变层作为P型导电的罩层和半导体衬底之间的电有源缓冲层时，P型导电的GaAs被用作半导体衬底，因为BeTe和GaAs之间的价带非连续性是小的。这里的缺点是在市场上所得到的P型导电的GaAs比n型导电的GaAs质量较差。从而在上面生长的外延层的结构特性明显地较差。
本发明的任务在于，开发一种本专利开始所述类型的光电子元件，该元件与上述已知光电子半导体元件相比具有改进的功能特性。尤其应该提供一种波长范围在680nm和300nm之间的改进的半导体激光器元件。
此项任务是通过具有权利要求1的特征的光电子元件解决的。其它改进结构是由与此项权利要求有关的从属权利要求得到的。
根据本发明在第一导电类型(P型或n型掺杂的)的不易掺杂的半导体层和一个从属于此半导体层的半导体本体的接触层(例如接触金属化层)之间设置一个第一导电类型的第一高掺杂简并过渡层(P+或n+掺杂)和一个与第一导电类型相反的第二导电类型的第二高掺杂简并过渡层(n+或P+掺杂)，并且是这样设置的，即第一高掺杂简并过渡层位于不易掺杂半导体层和第二高掺杂简并过渡层之间。
本发明的解决方案良好地应用于建立在ZnSe基础上的具有量子阱结构(SQW和MQW)尤其是具有SCH结构的半导体激光器元件，在此，有源区被安置在第一波导层和第二波导层之间，该有源区相应于SCH结构也是被封闭在第一和第二外罩层之间。在此，有利的是第一外罩层具有n型掺杂，第二外罩层具有不易掺杂的半导体层，一个具有P掺杂ZnSe的II-VI半导体层，以及第一高掺杂简并过渡层，一个P+导电的过渡层和第二高掺杂简并过渡层，一个n+导电的过渡层被安置在第二外罩层和从属于此罩层的半导体本体接触层之间。
这种P+n+层序列用于例如作为一个P型导电罩层和一个n型导电半导体衬底之间的电接触，或一P型导电罩层和一半导体本体的接触层之间的电接触。通过相对于元件反向偏置的P+n+层序列，在P+n+层序列的电场内的载流子被加速并且被快速注入有源区。在P+n+层序列内围绕结的一个德拜长度距离内出现导电类型的真实的反转，就是说通过在二极管一侧的n型掺杂使费米能级进入导带，而且在与此相对的一侧通过P型掺杂空穴使费米能级进入价带(“简并”)。通过P+n+二极管的这种简并掺杂区域之间的、几个埃的、很窄的空间电荷区，在反向偏置电压作用下，可以出现电子由P型掺杂半导体的价带经带间隧道穿透进入n型掺杂半导体导带的状态，从而在P型掺杂的区域内形成空穴。
在本发明量子阱SCH半导体激光器的另一优先实施结构中，第一外罩层和第二外罩层是n型掺杂的，并且在两个波导层之一和那个由有源区向外排列在此之后的罩层之间安排了不易掺杂的半导体层，例如一个具有P型掺杂的ZnSe的II-VI半导体层，第一高掺杂简并过渡层，例如一个P+导电的过渡层，和第二高掺杂简并过渡层，例如一个n+导电的过渡层。在此，P+n+层序列作为靠近有源层序列的“空穴转换器”或“注入器”。
在本发明的元件中，尤其是在最后所述实施结构中，电子被用于电荷输运，这种电子只是在即将到达有源区前转换成空穴。这个区域可以很好地用BeTe，尤其是用BeMgZnTe或BeZnCdTe制造，因为BeTe可以以简单方式掺杂或良好的P型导电和制成良好的晶格匹配。
本发明光电子元件的一种特别优先的扩展是一种SCH量子阱激光器，在这种激光器中有源区、盖层(波导层和外部罩层)和过渡层具有由含铍的硫属化合物组制成的半导体材料。特别优先使用的材料是例如BexZnyCd1-x-ySe(0≤x≤1，x+y≤1)用于有源区，BexMgyZn1-x-ySe(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)，或者Zn1-xMgxSySe1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)用于盖层，高掺杂的P型导电的BexMgyZn1-x-yTe(0≤x≤1，x+y≤1)用于P+导电的过渡层和高掺杂n型导电的InxGa1-xAs或高掺杂n型导电的BexMgyZn1-x-ySe(0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)用于n+导电的过渡层。在P+导电的过渡层和与此层靠的最近的波导层之间优先设置一个匹配层，该匹配层具有一个BeZnTeSe渐变层或一个BeTe/ZnSe伪渐变层。在本扩展中优先应用一种已知的以简单的方式可提供高质量的n型导电GaAs半导体衬底和应用一种特别容易制造的常规n型正面接触。
渐变层是一种层结构，在这种结构中各组分所占比例，在本例中即Be和Te的浓度，是沿空间方向变化的，以便得到逐渐地匹配，例如导带能量的匹配。在伪渐变层中这种变化是通过依次交替地不同组成的薄层变化的层厚比例来实现的。其中所选层的厚度必须相当的薄，以能保证有效的载流子输送。
本发明光电元件的另一特别优选扩展结构同样是一个SCH量子阱激光器，在此激光器中有源区、盖层(波导层和外罩层)和过渡层具有由含铍硫属化物组的半导体材料。作为各层特别优选的材料应引用最后所述本发明SCH量子阱激光器的材料。然而与上述结构的区别是，这里的R+导电过渡层和n+导电过渡层安置在一波导层和一罩层之间并且具有相同导电类型的第一和第二罩层。此外，以优选的形式在P+导电过渡层和上述波导层之间可以有一匹配层，例如以BeZnTeSe渐变层或BeTe/ZnSe伪渐变层的形式。这个附加的匹配层使载流子输送到量子阱成为可能。它为第一类载流子构成一个势垒而同时为互补的载流子类型提供一通路。在此扩展结构中也可以优选地使用一种已知的以简单方式可提供高质量的n型导电GaAs半导体衬底以及采用一种极易制造的常规n型正面接触。
在上述优选扩展结构中，两个罩层之间的距离优选介于约100nm和约400nm之间，并且两个罩层分别具有至少200nm的层厚。
用本发明的结构可以在罩层中实现BeMgZnSe中的Be和Mg的高浓度或也可实现在ZnMgSSe中的Mg和S的高浓度，因为根据本发明这些材料的n型掺杂比P型掺杂更有效。以这种方式在罩层中的禁带宽度可以达到大于3.1eV(300K)。用这种高的浓度有可能改善电荷载流子的封存以及较好地引导光波。此外还消除了高电阻区，这些区域可用P型掺杂的BeMgZnSe或BeMgSSe制造。
在元件中应用BexMgyZn1-x-yTe的另一优点是，这些元件发射出小于460nm的短波长光。对于这些短波长BexMgyZn1-x-yTe与例如BexZnyCd1-x-ySe相比具有较小的折射率，因此在P+导电过渡层和在匹配层中应用BexMgyZn1-x-yTe时光波可以更好地传导。
作为BeTe和从而还有BeMgZnTe和BeZnCdTe的P型掺杂材料，除等离子体激活的氮外还可以良好地应用As。As与氮相比具有明显小很多的扩散，这将提高掺杂的稳定性。同样也可以从Sb、P族，I族元素如K、Rb和Cs以及IV族元素如C、Si、Ge和Sn中选用一种或多种元素作为掺杂材料。
下面结合图1至图5借助四个实施例进一步说明本发明。其中：
图1示出第一实施例层结构示意图；
图2示出第二实施例层结构示意图；
图3示出第三实施例层结构示意图；
图4示出第四实施例层结构示意图；和
图5示出图3实施例的能带结构。
在图1中示出的层结构涉及一种SCH量子阱半导体激光器的半导体本体12。在第一导电类型的半导体衬底8上，例如由n型导电的GaAs组成，淀积由两种相反导电类型、高掺杂、简并过渡层6、7组成的序列，例如在n型导电的半导体衬底8上淀积一n+导电的过渡层7并在其上淀积一P+导电的过渡层6。这个过渡层6、7序列用作在一个在过渡层6、7上安置的SCH量子阱结构13之间的缓冲层。此结构例如是由盖层，如第一外罩层5和第二外罩层1和一个第一波导层4和一个第二波导层2，以及一个有源区3组成。
在此，半导体衬底8和过渡层7是第一导电类型(例如空穴或电子导电)，过渡层6和第一罩层5是一种与第一导电类型相反的第二导电类型。第二罩层1的导电类型同样与第一罩层5的导电类型相反。
过渡层7例如由高掺杂的n型导电的InxGa1-xAs或由高掺杂的n型导电的BexMgyZn1-x-ySe(0＜＝x＞＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)组成，并且过渡层6例如由高掺杂P型导电的BexMgyZn1-x-yTe(0＜＝x＜＝1，x+y＜＝1)组成。
SCH量子阱结构13例如具有一个BexMgyCd1-x-ySe量子阱(0＜＝x＜＝1，x+y＜＝1)作为有源区3，若干BexMgyZn1-x-ySe层(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)用作波导层4、2和若干BexMgyZn1-x-ySe层(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)用作罩层1，5，其中第一罩层5例如由用一BeZnTeSe渐变层或由一BeTe/ZnSe伪渐变层组成的一匹配层11，以及一个P型掺杂的BexMgyZn1-x-ySe层(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)组成。但是匹配层11也可以不采用，这样第一外罩层5可以直接淀积在第二过渡层6上。第二罩层1例如可以具有n型导电的BexMgyZn1-x-ySe(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)。
背面欧姆接触9和正面欧姆接触10构成半导体本体12的电极连接，其中背面欧姆接触9安置在半导体衬底8的下侧和正面欧姆接触10安置在第二外罩层1上。在n型导电GaAs衬底8的情况下可以应用以简单方式制造的常规n型上侧接触。第二欧姆接触10可以例如由Ti/Pt/Au序列或由A1组成。
在按照图2的实施例中与上述图1所示实施例的区别是，高掺杂简并过渡层6和7的序列安置在正面接触10和SCH量子阱结构13之间。这导致正面接触10不再是沉积在第二罩层1上，而是淀积在过渡层7上或者淀积在一安置在这些层之上的另外的层上。SCH量子阱结构13和高掺杂简并过渡层6、7序列总的说是以与图1所示实施例相反的序列淀积在半导体衬底8上。各个层例如是由与图1所示实施例相应各层的相同材料组成。
据此，半导体衬底例如还是由n型导电的GaAs组成，在其上淀积SCH量子阱结构13，该结构例如具有一个BexZnyCd1-x-ySe量子阱(0＜＝x＜＝1，x+y＜＝1)作为有源区3，若干BexMgyZn1-x-ySe层(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜1，x+y＜＝1)作为波导层4、2和若干BexMgyZn1-x-ySe层(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)作为罩层1、5，其中第一罩层5例如是由一个由BeZnTeSe渐变层或BeTe/ZnSe伪渐变层组成的匹配层和一个P型掺杂的BexMgyZn1-x-ySe层(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)组成。但是在这里也可以不采用匹配层11，这样第一外罩层5可以直接与第二过渡层6邻界。
在与GaAs衬底8相对的SCH量子阱结构13的一侧，例如设置一高掺杂的由BexMgyZn1-x-yTe(0＜＝x＜＝1，x+y＜＝1)组成的P型导电的过渡层6，在该层上再设置一高掺杂的例如由BexMgyZn1-x-ySe(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)组成的n型导电的过渡层7。使用这种高掺杂的n型导电的过渡层7可以有利于阻止BeTe与空气直接接触，由此可获得明显的技术上的优点和能制成低欧姆接触。正面接触10例如可以由Ti/Pt/Au序列或铝组成。
在图3所示的实施例中高掺杂简并过渡层6和7序列安置在第一外罩层5和第一波导层4之间。在本实施例中由第一导电类型的半导体衬底8起始的各个层的顺序如下：
第一导电类型的第一外罩层5，
第一导电类型的第一简并过渡层7，
第二导电类型的第二简并过渡层6，
第一波导层4，
有源区3，
第二波导层2，
第一导电类型的第二外罩层1和
正面接触10
各个层例如由图1所示实施例中相应各层的相同材料组成。
此外，可能有必要在高掺杂的第二简并过渡层6和第一波导层4之间插入一匹配层11，借助此层可以将载流子输入量子阱3。在此需要注意，这个层对一种类型的载流子构成势垒。同时对互补的载流子类型促成输送。
第一简并过渡层7、第二简并过渡层6和匹配层11的折射率是以有利的方式与作为波导的功能相匹配的。尤其需要注意，外罩层1和5的折射率小于其余各层(第二波导层2、有源区3、第一波导层4、第二简并过渡层6、第一简并过渡层7、匹配层11)的折射率。在本实施结构中1、2、5、7、8各层仍然具有相同的导电类型。在4、6、11各层中以与上述相反的导电类型为主。
在本实施例的一个特殊实施结构中，半导体衬底8是一种n型导电的GaAs衬底，在该衬底上淀积一n型导电的BexMgyZn1-x-ySe(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)层作为第一外罩层5。
过渡层7例如是一种高掺杂n型导电BexMgyZn1-x-ySe层(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)并且过渡层6例如是一高掺杂P型导电的BexMgyZn1-x-yTe层(0＜＝x＜＝1，x+y＜＝1)，此层借助一P型导电的BeZnTeSe渐变层或借助一BeTe/ZnSe伪渐变层作为匹配层11与波导层4电连接。有源区3具有由例如BexZnyCd1-x-ySe(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)组成的一量子阱。波导层2、4可以由BexMgyZn1-x-ySe(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)组成。第二外罩层1例如由n型导电的BexMgyZn1-x-ySe(0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1，x+y＜＝1)组成并且接触10例如由Ti/Pt/Au序列或由铝组成。
2、3、4、6、7、11各层，就是说用作波导的各层的厚度之和，有利的是应该不低于100nm和不高于400nm，与此相反罩层1和5应该最少有200nm厚。采用这种结构可以在盖层1和5中在BeMgZnSe中达到Be和Mg的高浓度或在ZnMgSSe中达到Mg和S的高浓度。因为根据经验这些材料的n型掺杂比P型掺杂更加有效。以这种方法在盖层中禁带宽度可以超过3.1eV(300K)。用这种高的浓度有可能改善电的载流子封存和光波的良好传输。此外还消除了P型掺杂的BeMgZnSe或BeMgSSe的高阻区。另一优点是在元件中应用BexMgyZn1-x-yTe时得到的，这些元件发射具有波长小于460nm的短波长光。对于这种波长BexMgyZn1-x-yTe与例如BexZnyCd1-x-ySe相比具有较小的折射率，借此，当在层6和11中应用BexMgyZn1-x-yTe时光波被更好地传输。
在图5中示意性示出图3所示本发明元件的实施例的能带结构。各个区域的标记与图3所示的层序列相似。在此层结构中载流子的注入是按如下方式进行的：通过在pn结上施加导通方向偏置的电压，该pn结的P侧由层6、11和4组成，n侧由层2、1组成，在电压作用下电子由接触10(在图5中未示出)经罩层1和波导层2进入有源区3。在此，匹配层11通过势垒阻止负电荷载流子向高浓度P掺杂过渡层6迁移(这种功能也可以由层4替代而承担)。在本实施例中由SCH量子阱结构13的衬底一侧经高浓度n掺杂过渡层7、n掺杂外罩层5和n型GaAs衬底8将电子在施加的外电压作用下抽出。在高浓度n掺杂过渡层7和高浓度P掺杂过渡层6之间的结处，电子可以由P掺杂过渡层6的材料的价带穿过势垒进入过渡层7的导带，借此形成经层6、11和4进入有源区3的有效空穴电流。在此，波导层2或/和外罩层1构成空穴的势垒。
在图4的实施例中，与图3的实施例不同，图3所示的SCH量子阱结构13的构成以相反的顺序淀积在半导体衬底8上。这时，空穴的注入经位于靠近有源区3表面一侧的过渡层6和7的序列进行，这些层也是相反掺杂的并且是高导电性的。此外，相应各层的结构和材料选择与图3所示实施例类同。
对高浓度n掺杂(或n+掺杂)和高浓度P掺杂(或P+掺杂)，也就是简并掺杂，都应理解为掺杂材料浓度≥1017cm-3是适宜的。
当然，借助这些实施例对本发明半导体元件的说明不应理解为将本发明限制在这些实施例上。按照本发明的发光二极管和激光二极管同样可以在其它半导体材料的基础上制造，例如GaN或相关混晶系统，或II-VI半导体，如CdTe、BeTe、BeSe、ZnS、MgS、CdSe、HgTe或相关混晶系统，如ZnxCd1-xSySe1-y、BexZnyCd1-x-yTe、BexMgyZn1-x-yTe、BexMgyZn1-x-yS或BexZnyCd1-x-yS。作为衬底除GaAs外也可以应用例如GaP、ZnSe、Si、Ge、InP、InGaAs、ZnO、Al2O3、SiC或其它类似材料。