蓝绿光半导体光电子器件的研究与发展现状

第21卷增刊半　导　体　光　电Vol.21Supplement 2000年3月Semiconductor Optoelectronics March2000

文章编号:1001-5868(2000)01S-0001-04

蓝绿光半导体光电子器件的研究与发展现状

赵　红,何伟全

(重庆光电技术研究所,重庆400060)

摘　要:　综述了G aN和ZnSe两大系列半导体光电子器件的研究与发展现状,重点讨论了材料的生长方法,给出了器件发展的最高水平。

关键词:　发光器件;平板显示器;光存贮;G aN;ZnSe

中图分类号:　TN525;TN491 文献标识码:　A

An Overview on the R esearch and Development of

Semiconductor B lue-green Optoelectronic Devices

ZHAO Hong,HE Wei2quan

(Chongqing Optoelectronics R esearch Institute,Chongqing400060,China)

Abstract:　This paper reviews the present stage for the research and development of blue-green optoelectronic devices based on ZnSe and G aN,with emphasis on the growth processes of the materials.

The best performances achieved in the devices up to date are presented.

K eyw ords:　light emitting devices;plate display;optic storage;G aN;ZnSe

1　引言

蓝、绿光与红光构成了颜色的三原色。目前,半导体红光器件的制作技术已经比较成熟,而蓝绿光器件的发展相对滞后。但实际的需求推动着半导体蓝绿光电子器件的发展。蓝、绿光L ED与红光L ED一起,可以用于新一代全彩色平板显示器的开发;蓝光激光器除用于光学数据存贮系统,还可用于新一代的生物医学工程技术,水下通信等[1,2]。

2　蓝绿光电子器件实用化的技术路线

蓝绿光器件需要使用宽带隙的半导体材料。其材料有Ⅱ-Ⅵ族ZnSe系列材料、Ⅲ-Ⅴ族G aN系列材料、Ⅳ-Ⅳ族SiC材料等。ZnSe系列和G aN系列材料是直接带隙半导体,比较适合制作光电子器件。SiC材料是间接带隙半导体,且发光颜色不够纯正,不太适合制作光电子器件。目前,利用ZnSe 系列和G aN系列材料的蓝绿光电子器件的研究与开发已经取得了突破性进展。

3　ZnSe系列光电子器件

3.1　材料的外延生长

ZnSe由于缺乏体单晶,只有选择晶格常数与之匹配的其他晶体材料作为其外延衬底。G aAs与ZnSe的晶格失配只有0.27%,所以容易在G aAs衬底上生长出高质量的单晶。目前,大多数实用的ZnSe器件都是用MB E在G aAs衬底上异质外延生长的。

由于ZnSe材料存在较强补偿效应,在其生长中存在的一个主要问题就是难以获得高载流子浓度的P型掺杂,以获得决定低阈值电流的低阻ZnSe。近几年的研究表明,氮是效率较高的ZnSe P型掺杂

收稿日期:1999-11-20

剂。使用N2、N H3气体作为掺杂源,用射频等离子法(RF plasma)或电子回旋共振法(ECR)产生活性氮原子作为P型掺杂剂,可在ZnSe中获得1×1018 cm-3的P型掺杂浓度。锂是另一种高效P型掺杂剂,可获得8×1016cm-3的净受主浓度。但掺锂的ZnSe在高温下(300℃以上)会变得不稳定。使用ZnCl2作为N型掺杂剂。

3.2　器件工艺

ZnSe光电子器件工艺的一个难点是实现良好的欧姆接触(接触电阻率小于1×10-5Ω・cm-2)。一般用In作为N型ZnSe的欧姆接触材料。但对于P型ZnSe,大多数金属都不能在其上形成良好的欧姆接触,一个解决的办法就是用ZnSe与其他材料组成渐变合金,利用其他材料的价带实现良好的欧姆接触,如ZnSe/Zn TeSe/HgSe;另一个办法是制作ZnSe/Ze Te多量子阱,通过空穴在量子阱之间的一系列共振隧穿作用,从而利用Zn Te实现P型欧姆接触。

3.3　器件水平

1996年2月,索尼公司宣称研制出寿命超过100h、波长为515nm、输出功率为1mW的室温连续波ZnSe绿光激光器[3],这是目前这种器件所报道的最高水平。这是一种利用双生长室(一个生长G aAs缓冲层,一个生长Ⅱ-Ⅵ族材料)生长的ZnCdSe/ZnSSe/ZnMgSSe分别限制异质结单量子阱激光器。由于这种激光器通过优化Ⅱ-Ⅵ族/Ⅲ-Ⅴ族界面的生长条件,将暗斑密度降低到3×103cm-2以下,从而显著地提高了激光器的寿命。3.4　发展方向

目前报道的ZnSe激光器最低阈值电压为4.7 V,说明P型欧姆接触和掺杂问题已基本得到解决。进一步提高ZnSe激光器的性能,主要工作还在于材料的生长上,并进一步降低晶体中的缺陷,延长寿命和提高输出功率。

一个突破的方向是采用ZnSe衬底进行激光器生长,这有利于进一步降低衬底/外延层界面的缺陷。由于体单晶制备技术SPV T的进展,生长出了直径为50mm、厚度为20～40mm的单晶,在300 K和具有8×1017个/cm3的N型载流子浓度的掺杂情况下,迁移率仍达到约为250cm2/V・s。X射线透射形貌图表明,非掺杂的ZnSe单晶片的位错密度小于1×103cm-2(这是无缺陷激光器所要求的数量级,预期在1998年可以在掺杂的ZnSe中达到这一水平)。在此基础上,人们开始在ZnSe衬底上制作Ⅱ-Ⅵ族蓝绿光激光器[4]。

出于大批量生产的目的,近年来,日本人利用t -BN H2为掺杂剂,通过光MOCVD技术获得了空穴浓度为8×1016cm-3的P型ZnSe[5]。1997年, Sony公司报道了第一只由MOCVD生长的、以脉冲电流注入方式工作在77K下的ZnSe蓝绿光激光器[6],外延使用的源是二甲基锌(DMZn)、二甲基镉(DMCd)、二乙基硫(DES)、二重甲基环戊二烯基镁((MeCp)2Mg)、二甲基硒(DMSe),N型和P型掺杂源分别是乙基碘(EI)和二异丙基胺(Di-PN H),生长温度在330～480℃之间。

MgZnSSe常作为ZnSe基激光器的光学包层。由于Zn、Mg、S、Se等元素的蒸汽压较高,难于实现精确的组分控制(在制作MQW结构时),不适于用传统的固体源MB E方法生长。一个解决的办法是用H2SH2Se作为S、Se源的气源MB E(GSMB E)[7]以及MOMB E(金属有机物MB E)[8]方法生长。

在欧姆接触方面,镍最有希望成为P型ZnSe 欧姆接触材料[9]。

4　GaN系列光电子器件

4.1　材料的生长

G aN系列光电子器件发展的一个主要困难就是G aN材料的外延生长。这是因为缺乏在晶格常数和热膨胀系数都与之相匹配的衬底材料,以及难以获得高掺杂的P型G aN。20世纪80年代后期,人们采用蓝宝石或SiC为衬底,通过淀积G aN或AlN过渡层的办法,可以生长出高质量的G aN及其合金。采用对Mg掺杂的高阻G aN进行低能电子辐照处理(L EEB I)的办法,可以获得1×1018cm-3以上的空穴浓度。N型G aN可通过掺杂Si(G a)或G aNe实现。G aN材料的生长,目前有三种方法: MOCVD、MB E、HV PE。

4.1.1　MOCVD

MOCVD是成功制备具有器件质量的G aN及其异质结构的工艺技术,现已基本确立其在G aN光电子器件生产方面的主导地位。其特点是周期短、产量大;其次,与传统的MOCVD技术相比,使用N H3作为Ⅴ族化合物源材料(G a源是三乙基镓TEG a、掺杂源为硅烷和金属Mg),避免了剧毒的砷烷和磷烷,其危险性大大降低;另外,在1000℃以上的高温生长,这对高熔点的G aN来说,有利于获得良好的晶体质量。MOCVD生长G aN的缺点是生长后需要进行处理(热处理或L EEB I)以激活P 型杂质Mg(实际是除去Mg-H中的H);另外,高

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