国立彰化师范大学光电研究所蓝光雷射与光电半导体实验室.ppt

國立彰化師範大學光電研究所 藍光雷射與光電半導體實驗室,郭艷光 博士 電子郵件: .tw 網頁: .tw/education/prof_ykuo/,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,2,國立彰化師大光電工程技術研究所,國內12間師範院校所成立的第一個光電研究所 91學年度開始招生 (第一屆預定招生15名，將來視實際需要調整招生名額 ) 考試項目：筆試 (100%) 筆試科目：電磁學、近代物理、工程數學 (分數相同時，以近代物理分數之高低排列名次) 第二屆開始增加推薦甄試入學管道 (原則上推薦甄試錄取名額將佔總招生名額的40%左右),2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,3,唸彰化師大光電研究所有什麼好處？,每一位研究生都可以修教育學分，取得中學教師資格(其他學校名額有限，必需通過考試才能修教育學分)。 兩年之內可以取得碩士學位(其他學校修教育學分之學生需延後一年畢業)。 光電專長可以為教書之外，另開一條到高科技業就業的路(出路比一般的物理研究所寬廣)。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,4,彰化師大光電研究所擬增聘師資與開設課程,彰化師大物理系目前有20名助理教授(含)以上的專任師資 自91 學年度開始預定增聘5名師資，其專長為： 光電半導體長晶技術、光纖通訊與積體光學、光資訊儲存、液晶與高分子光學 開設課程：光電子學 、基礎光學 、光電實驗技術 、積體光學 、雷射物理 、固態物理 、毫微米元件製作及原理 、光纖導論 、光電元件成長技術 、半導體材料 、液晶光學 、光記憶概論 、光纖通信 、半導體雷射 、發光二極體特論 、半導體雷射特論,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,5,藍光雷射實驗室簡介,實驗室負責人：郭艷光老師,實驗室成立時間：1998年7月,實驗室成立背景：配合本系推動之藍光雷射計畫，執行光學量測的研究。,合作教授：林踐、劉嘉吉,目前為止獲得學校與國科會補助經費： 約一千萬元新台幣 (NT$ 10,000,000),2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,6,藍光雷射與光電半導體實驗室,本實驗室主要利用光激螢光法 (Photoluminescence) 與電激螢光法 (Electroluminescence) 來研究發光二極體與半導體雷射等光電半導體材料之光學特性。此外，本實驗室之光學系統亦可量測吸收光譜與拉曼光譜。 在光電實驗之外，我們也並行從事發光二極體、半導體雷射、與固態雷射的數值模擬與分析，所使用的軟體包括LASTIP、PICS3D、CASTEP等。 研究合作對象：中山科學研究院、中央大學、中興大學、全新光電公司、國聯光電公司、,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,7,藍光雷射實驗室主要硬體設備,光學桌 (2台) 快速示波器 (500 MHz Bandwidth, 5 GHz Sampling Rate) 氬離子雷射 (6W Visible Light, 140mW UV at 351.1 nm) 單色分光儀 半導體雷射/發光二極體電流源 密閉式低溫系統 鹵素燈寬頻光源 液態氮冷卻電荷耦合器(CCD)光偵測器 (1340x100 Pixels) 鎖相放大器 (Lock-in Amplifier) 光電增倍管 (Photo-Multiplier Tube) 功率計 (Power Meters) 發光二極體亮度測量儀 半導體摻雜濃度測量儀 (ECV),2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,8,光激螢光(Photoluminescence)系統簡介,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,9,藍光雷射實驗室主要軟體資源,LASTIP模擬軟體 (半導體雷射、半導體材料特性 ),PICS3D模擬軟體 (面射型半導體雷射、多層膜反射鏡 ),國科會CASTEP模擬軟體 (半導體能帶結構、光學與材料特性 ),MATLAB模擬軟體 (固態雷射、Passive Q-switching ),2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,10,藍光雷射實驗室最近研究主題,氮化銦鎵半導體元件光學特性之研究,磷化鋁鎵銦半導體元件光學特性之研究,面射型半導體雷射光學特性之實驗與模擬分析,氮化鋁鎵銦半導體材料能帶結構之研究,固態雷射Passive Q-switching之數值模擬與分析,電子溢流對氮化銦鎵多量子井元件光學特性之影響,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,11,什麼是雷射(LASER)？,LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的縮寫，意思是經過受激放射而被放大的輻射光。,在台灣，我們稱之為雷射(取其音),在大陸，則被稱之為激光(取其意),2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,12,雷射的基本模型,構成雷射系統的三大基本要素：,1、活性介質,2、激發系統,3、雷射鏡面,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,13,雷射光的基本性質,雷射光是一種電磁波，其在真空中的行進速度為光速。,雷射光是一種相當窄頻的光源，意思就是說雷射光相當接近於單色光，所以如果以雷射光通過三稜鏡，比較不會產生色散的現象。,雷射光具有相當好的同調性，以及非常高的平行度，所以在行進很遠的距離後，仍然能維持一個很細的光點。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,14,雷射的威力和可能的傷害,由於雷射將大量的能量集中在非常小的截面積中，因此其能量密度非常的大，這也是科幻小說或電影中常將雷射描寫成未來的強力武器之原因。,雷射因為具有上述的能量集中的特性，因此即使是功率極小的雷射光筆(雷射光輸出功率約2mW)，如果直接照射到眼睛，也會對其造成無法恢復的傷害。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,15,各種光源平行度之比較,一般光源,手電統、聚光燈,雷射光,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,16,雷射光的各種應用,由於雷射具有上述的各種優點，所以目前已廣泛的被運用在：測量、醫療、工業、通信與其他日常應用中，與我們的生活緊密相連。,一、測量：利用雷射高平行度及光線直線前進的特性，來達到精密測量的目的。,三、工業：在工業的應用上，切割、鑽孔、焊接等加工都少不了雷射的幫助。,二、醫療：雷射手術除了用於開刀、止血、除斑外，也常用於眼科的近視、視網膜剝離的治療中，對醫療。品質的提升有很大的幫助。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,17,雷射光的各種應用(續),四、通信：光纖通信利用雷射光源來達到快速、大量與不失真的資料傳輸。,五、生活：雷射在日常生活中的應用非常廣泛，如雷射音響、雷射光筆等，目前越來越流行的CD、DVD也都以雷射來作為讀取頭；另外在超市買東西時，也是利用雷射掃瞄系統來讀取商品上的條碼，以計算價錢；此外如雷射商標、全像術等，都是運用雷射技術來完成；總之，隨著科技的進步，我們的日常生活已越來越與雷射緊密相連，無法分開。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,18,什麼是光電半導體？,所謂的光電半導體是指利用半導體材料來產生光訊號或電訊號；例如週期表中第IV族的矽、鍺等，由於能吸收光子，再將其轉換成電訊號，因此常用來做為光偵測器。而III-V族與II-VI族等材料除了可以做為偵測器外，還可以利用光激發或電激發的方式，使其發出各種波長的光，因此是做為半導體雷射(或稱雷射二極體，LD)與發光二極體(LED)相當好的材料。,第IV族的光電半導體包括：Si、Ge、SiC等材料。,II-VI族的光電半導體包括：ZnSe等材料。,III-V的光電半導體則包括：AlGaAs、AlGaInP、InGaN等材料。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,19,什麼是III-V族與II-VI族光電半導體？,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,20,光電半導體的發光範圍,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,21,為什麼要研究光電半導體？,半導體雷射與發光二極體等光電半導體元件具有使用壽命長、低電力消耗、價格便宜等優點，其產值近年來在我國與全球均以超過30%的年成長率在蓬勃發展中。,應用於CD相關產品的半導體雷射為砷化鋁鎵(AlGaAs)，其雷射波長為780nm，資料儲存量為每一光碟片650MB 。在650nm磷化鋁鎵銦(AlGaInP)紅光半導體雷射推出之後，一片DVD光碟片的資料儲存量為4.7GB。將來在氮化銦鎵(InGaN)藍光半導體雷射推出之後，一片高密度DVD光碟片的資料儲存量預估將高於18GB 。,另一方面，繼磷化鋁鎵銦紅黃光發光二極體之後，氮化銦鎵藍綠光發光二極體也在最近被開發出來，因此全彩顯示、交通號誌、液晶顯示器(LCD)與照明等相關產業也隨之蓬勃發展。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,22,半導體雷射與發光二極體的優點,體積小、重量輕 (長、寬、高 0.3 mm) 高亮度、高效率、低電力消耗 (例子：街道上之紅綠燈消耗功率約150瓦，改用發光二極體只需不到30瓦的功率即可達到相同亮度。 ) 使用壽命長 (數千小時以上) 價錢便宜 (一支雷射光筆只要100元！) 有寬廣的波長範圍 (從紅外線、可見光、到紫外線) 可以直接調變 (有利於光纖通信),2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,23,氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦光電半導體元件的可能用途,氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦發光二極體(LED)的可能用途：全彩發光二極體顯示幕、液晶顯示器(LCD)、交通號誌(紅、黃、綠燈)、LED 燈泡(含白光燈泡)、飛機以及汽機車面板燈與尾燈等。 氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦半導體雷射(LD)的可能用途：電腦與音響之高密度數位多功能光碟(HD DVD)、雷射光筆、區域性通信網路、雷射印表機、條碼掃瞄、醫療、固態雷射激發、材料處理、娛樂、儀器等。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,24,氮化銦鎵(InxGa1-xN)發光顏色 與半導體成份之間的關係,Eg xEg,InN + (1-x)Eg,GaN bx(1-x), b Bowing Parameter Eg,InN = 1.95 eV, Eg,GaN = 3.40 eV, b = 1.0 eV. (After Nakamura) 註：x0.3時本表誤差較大，氮化銦鎵在藍綠光區有較佳之發光效率。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,25,半導體雷射(雷射二極體)的基本結構,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,26,發光二極體（ Light Emitting Diode ）,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,27,面射型半導體雷射 (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL),2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,28,中長程光纖通信系統,SiO2光纖在1.3mm與1.55mm附近有低損失窗 (Low-Loss Window) 最低損失0.2dB/km (每15公里衰減3dB，雷射光功率衰減一半)落在1.55mm左右。 1.3mm附近有最低之色散效應(Dispersion Effect) ，信號最不會失真。 中長程光纖通信最佳之光電半導體材料： InxGa1-xAsyP1-y,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,29,中短程光纖通信系統,PMMA (Polymethylmethacrylate)等塑膠光纖在570nm、650nm、與850nm等波長有低損失窗。 就經濟方面的考量，塑膠光纖與短波長(側射型與面射型)半導體雷射是中短程光纖通信系統的最佳光電材料。,2019/6/24,國立彰化師範大學物理系暨光電研究所副教授 / 郭艷光博士,30,結 語,光電半導體即將帶來彩色革命。 現在開始研究光電半導體正是時候。 就讀彰化師大光電研究所，每一位研究生都可以修教育學分，兩年之內可以取得碩士學