半导体雷射技术课件

,#,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,長波長垂直共振腔面射型雷射,長波長垂直共振腔面射型雷射,1,半导体雷射技术课件,2,半導體,VCSEL,具有圓型的雷射光點、低發散角、低閾值電流、高調變速度與頻寬和方便的晶片上即時測試等優點，因此為理想的光纖通訊光源。而在長距離的光纖通訊系統中，其光纖材料一般使用石英光纖,(silica fiber),，這是由於石英光纖在長波長紅外光範圍時具有最低的色散,(dispersion),與最小的光學損耗,(loss),，其所對應的波長分別是,1.3,與,1.55,m,，如圖,4-14,所示。,長距離的光纖通訊對於訊號在光纖中傳遞的損失必須列為重要的考量之一，由圖,4-14(a),中可以觀察到，石英光纖內的光損耗主要是由紅外線吸收以及,Rayleigh,散射這兩個機制所造成。,半導體VCSEL 具有圓型的雷射光點、低發散角、低閾值電流、,3,當傳輸的光波長為,1.3,以及,1.55,m,時，會有一個較低的損耗窗口，特別是在傳輸波長為,1.55,m,時，其損耗將低至每公里,0.2 dB,。,因此，在長波長光纖通訊傳輸光源波長的選擇上，,1.3,m,以及,1.55,m,便是相當重要的光源。,當傳輸的光波長為1.3 以及1.55m 時，會有一個較低的,4,除了探討光在光纖傳遞中的損失外，保持訊號波形的完整性也是另一個必須考量的重要因素。圖,4-14(b),為在石英光纖中，材料色散係數對波長的關係圖。,從圖中可以知道在石英光纖內，不同波長的光在其中傳遞會有不同的色散程度，若色散程度過大的話，會容易造成傳輸訊號的波形變形，因而限制了傳輸的距離。圖,4-14(b),顯示當傳輸波長在,1.3,m,附近時，其材料色散係數值為零。,除了探討光在光纖傳遞中的損失外，保持訊號波形的完整性也是另一,5,因此，雖然從前面光損耗的分析中我們可以知道，傳輸波長為,1.3,m,的損失值比,1.55,m,來得大，但由於其色散程度最低，訊號的波形在經過長距離的傳遞後最容易保持其完整性，因此仍然被普遍用來當作中長程光纖通訊的傳輸波長。,因此，雖然從前面光損耗的分析中我們可以知道，傳輸波長為1.3,6,以,GaAs,為材料系統的短波長,VCSEL(0.780.98,m),已經發展的相當成熟，並且已有許多商品化的產品出現。然而操作在長波長的,VCSEL(1.31.55,m),，其發展相較於,GaAs,為材料的,VCSEL,緩慢許多，即使第一個,VCSEL(1.3,m),已在,1979,年成功在低溫下實現，但是在低溫下操作的元件很難達到商品化。,以GaAs 為材料系統的短波長VCSEL(0.780.98,7,其中導致發展緩慢的重要因素即為長波長,DBR,的製作困難以及在高溫下量子井主動區增益不足的現象，除此之外，長波長,DBR,材料無法利用自然氧化的方式製作光與電流的侷限，以及長波長材料系統的導熱較差等，都是讓長波長,VCSEL,發展緩慢的重要因素。,其中導致發展緩慢的重要因素即為長波長DBR 的製作困難以及在,8,一般而言，長波長,VCSEL,主要成長於,InP,基板上，然而晶格匹配於,InP,基板的,InGaAsP,主動層材料系統卻因為嚴重的,Auger,非輻射復合效應導致相當低的材料增益。此外，晶格匹配於,InP,基板長波長,DBR,材料系統。,如,InP/InGaAsP,與,InAlAs/InGaAlAs,只能提供相對小的折射率差異，這也讓長波長的,DBR,必須成長相當高的對數才能達到高反射率的需求，在這樣的,DBR,材料系統下除了大的穿透深度會導致光的吸收外，對於熱的逸散亦是一大問題。,一般而言，長波長VCSEL 主要成長於InP 基板上，然而晶,9,因此，對於長波長,VCSEL,而言如何製作高增益的主動區材料、高反射率的,DBR,與設計高散熱性的元件結構都是發展長波長,VCSEL,的問題與挑戰。,因此，對於長波長VCSEL 而言如何製作高增益的主動區材料、,10,現今主要應用於長波長,VCSEL,的元件結構主要可以區分為下以三種：,(1),使用介質材料作為上下,DBR,的,etched-well VCSEL,結構。,(2),利用介質材料與半導體製作上下,DBR,，並配合環狀電極的,VCSEL,結構。,(3),利用磊晶的方式製作完成,VCSEL,結構。,現今主要應用於長波長VCSEL 的元件結構主要可以區分為下以,11,圖,4-15,(a),使用介質材料作為上下,DBR,的,etched-well VCSEL,結構。,圖4-15(a)使用介質材料作為上下DBR 的etched,12,圖,4-15,(b),利用介質材料與半導體製作上下,DBR,，,並配合環狀電極的,VCSEL,結構。,圖4-15(b)利用介質材料與半導體製作上下DBR，,13,圖,4-15,(c),利用磊晶的方式製作完成,VCSEL,結構。,圖4-15(c)利用磊晶的方式製作完成VCSEL 結構。,14,首先，利用晶片接合,(wafer bonding),技術已可整合,InP,系統的主動層結構於,GaAs,材料系統的,DBR,上，藉此達到高效率的長波長,VCSEL,。,其次，,1.3,m,長波長新材料,InGaNAs,可直接成長於,GaAs,基板上亦有相當不錯的元件表現，但是要將波長推至,1.55,m,並不容易，可以利用五元化合物,InGaNAsSb,達到更長的發光波長。為了配合現有長波長主動層材料,InGaAsP,與,InGaAlAs,，利用磊晶方式成長晶格匹配於,InP,基板的,DBR,仍是研究的重點之一。,首先，利用晶片接合(wafer bonding)技術已可整合,15,此外，利用,metamorphic,磊晶技術成長晶格匹配於,InP,基板的,GaAs/AlAsDBR,亦被應用於長波長的,VCSEL,，然而由於晶體缺陷的因素，此種雷射元件特性仍有穩定性的問題。使用,Sb,材料系統的,DBR,可提供更大的折射率差異並且已被用在長波長,VCSEL,中，然而此種,DBR,在熱傳導特性上並不佳，,DBR,的成長條件更是極具複雜性。,此外，利用metamorphic 磊晶技術成長晶格匹配於In,16,由於長波長,VCSEL,面臨了低主動區增益、高熱阻與嚴重的,Auger,非輻射復合的光損耗，這使得主動層發光材料的選擇更加嚴苛。,為了將發光波長操作在,1.31.6,m,，其主動層材料對應的能隙值為,0.95,與,0.78 eV,之間。,由於長波長VCSEL 面臨了低主動區增益、高熱阻與嚴重的Au,17,半导体雷射技术课件,18,InGaAsP/InP,材料系統雖然最早被應用於長波長主動層材料，然而其導電帶的,導電帶偏移,(conduction band offset),非常小，再加上高的,Auger,係數，使得此材料系統在高溫特性的表現上始終不佳。,然而，具應力量子井,(strained QW),結構的使用將有助於減少,Auger,再結合的損失，不過進一步衍生的問題是應力量子井的數目不能過多，否則將引起主動層中晶體缺陷的產生。,InGaAsP/InP 材料系統雖然最早被應用於長波長主動層,19,為了增加應力量子井的數目來提高主動區的光增益，使用應力補償式量子井結構設計將可有效減少淨應力的產生。,因此，使用應力補償式,InGaAsP/InGaAsP,量子井結構有效增進了高溫下的雷射特性。,為了增加應力量子井的數目來提高主動區的光增益，使用應力補償式,20,為了進一步提升長波長,VCSEL,的高溫特性，有效的將電子侷現於主動層中，以避免電子溢流出多重量子井結構將是重要的設計考量。,因此許多研究群亦投入於,AlGaInAs,材料系統的研究，這是由於,AlGaInAs,材料系統具有較高的導電帶能帶偏移,(,Ec,=0.72,Eg,),，不但可以有效的侷限電子於多重量子井結構中，更可增進電洞在多重量子井結構中的傳輸。相較於,InGaAsP,量子井結構的導電帶能帶偏移,(,Ec,=0.4,Eg,),，,AlGaInAs,主動層材料已被使用於長波長,VCSEL,中，並可在高溫下有良好的操作特性。,為了進一步提升長波長VCSEL 的高溫特性，有效的將電子侷現,21,上述兩種長波長主動區材料系統均是成長於,InP,基板上，另一種成長於,GaAs,基板的長波長主動區材料為,GaInNAs,材料系統，一般三五族材料其晶格常數和能隙的大小呈反向趨勢，然而,GaInNAs,材料系統則呈現同向的趨勢，也就是能隙會隨著晶格常數減少而變小。,這是因為氮元素加入於,GaAs,或,GaInAs,材料系統會引起很大的,能隙彎曲參數,(bandgap bowing parameter),，且隨著氮元素的增加能有效的降低,GaAs,或,GaInAs,的能隙。,上述兩種長波長主動區材料系統均是成長於InP 基板上，另一種,22,然而由於氮元素溶入,GaAs,的含量有先天材料上的限制，因此為了把發光波長推向,1.55,m,，通常要再加入,Sb,元素才有較佳的元件特性表現。,使用,GaInNAs,材料系統的優點除了可以使用晶格配匹的,AlGaAs,材料系統作為,DBR,之外，其導電帶能帶偏移更可高於,300 meV,，這項條件對於把電子侷限在主動層以達到穩定的高溫操作是非常有利的。,然而由於氮元素溶入GaAs 的含量有先天材料上的限制，因此為,23,另一項特別的長波長主動層材料是利用,InGaAs,量子點,(quantum dot),作為發光層，由於量子點具有類似原子的電子能態密度,(density of states),，因此許多光學特性的表現與傳統的量子井結構十分不同，這樣的特性有機會使雷射具有更低的閾值電流與更穩定的溫度特性。,另一項特別的長波長主動層材料是利用InGaAs 量子點(qu,24,除了主動區發光材料是設計長波長,VCSEL,的重要考量之外，適當的,DBR,材料系統選擇亦扮演重要的角色。,許多不同的材料系統已被提出用在長波長,VCSEL,中，而每一種作為,DBR,材料都必須考慮到光、熱與電的特性，這些,DBR,材料主要可被分成三個種類：磊晶成長,DBR,、介電質材料,DBR,與晶片接合技術,DBR,，表,4-1,列出適用於,1.5,mVCSEL,之不同,DBR,材料系統以供比較。,除了主動區發光材料是設計長波長VCSEL 的重要考量之外，適,25,半导体雷射技术课件,26,利用磊晶成長的,DBR,具有直接整合於發光層的優點，例如典型的,GaAs,材料系統,VCSEL,，因此製造過程相對容易。長波長,VCSEL,利用磊晶成長的,DBR,在,InGaAsP/InP,材料系統已發展一段時間。,利用磊晶成長的DBR 具有直接整合於發光層的優點，例如典型的,27,半导体雷射技术课件,28,不幸的是，在,InP,與,InGaAsP,兩種材料之間的折射率差異非常小，所以必須成長相當多層的,DBR,才能達到高的反射率，圖,4-17,為三種適用於,1.55,m,波段的,DBR,材料其,DBR,對數與反射率的關係。,此外，由於四元化合物容易產生聲子,(phonon),的散射，因此,InGaAsP,材料系統的熱導係數相當低，再加上厚的,DBR,層，限制了,InGaAsP VCSEL,的最大操作溫度。,不幸的是，在InP 與InGaAsP兩種材料之間的折射率差異,29,適用於長波長,VCSEL,的第二種,DBR,材料為介質材料,DBR,，這種材料系統的,DBR,典型的組成是利用氧化物材料，因此可以提供相當高的折射率差異，通常小於,8,對就可以達到極高的反射率，短的,DBR,穿透深度亦有減少光損耗的優點。,然而由於氧化物材料本身並非結晶性材料，因此在熱傳導效率上並不佳，當雷射在連續操作的情況下容易形成自熱效應,(self-heating),，此外，這種氧化物類形的,DBR,通常只能用於上,DBR,的部份，因為要在氧化物上成長高品質晶體形態的半導體發光層是非常困難