【毕业学位论文】（Word原稿）DVD用650 nm 磷化铝镓铟雷射二极体的设计与分析-光电科技

国立彰化师范大学光电科技研究所 硕士论文 指导教授：郭艳光教授 650 化铝镓铟雷射二极体的设计与分析 50 究生：蔡孟伦 撰 中华民国九十三年六月 i 国立彰化师范大学光电科 技 研究所 硕士论文 研究生：蔡孟伦 650 化铝镓铟雷射二极体的设计与分析 50 本论文业经审查及口试合格特此证明 论文考试委员会主席 _ 委员： _ _ 指导教授：郭艳光博士 _ 所 长：吴仲卿主任 _ 中华民国九十三年六月 谢 首先首先感谢郭艳光教授在我的两年硕士就读期间给予我的专业上的训练 ， 包括专业知识、语言能力、电脑能力，以及让我学习到尽最大的努力把事情做好的态度，让我受用无穷。非常感谢老师给我的栽培 ，让 我更有自信去追求下一阶段的挑战，在此致上我最深切与诚恳的感谢，也祝福老师能够在未来的日子里身体健康，做更多的研究对于学术界有更多的裨益。 感谢黄满芳教授指导我做研究，让我的硕士论文能顺利的完成。 在这一年半来我从黄满芳教授那里学习到很多的专业知识，让我对于光电半导体方面的专业知识更上一层楼，也感受到黄满芳教授专业方面的能力，让我知道我还有很多东西需要学习。非常感谢黄满芳教授在这一段期间耐心的指导我，有了黄满芳教授的指导让我比别人更幸福，在此也致上我最深切与诚恳的感谢，也同时祝福老师能够顺心如意。 感 谢刘柏挺教授拨空担任我的硕士论文口试委员，也感谢刘柏挺教授这两年在专业知识及生活经验上的分享。 感谢实验室 的伙伴们：由于诒安学长的指导与协助，使我很快的就能熟悉程式，并且不断与我分享程式上的经验。志康学长在我们刚加入实验室时亲切随和的态度让我们很快消除新人的紧张与不安，学长的幽默带给我们很多的欢乐。感谢同届的伙伴胜宏、正洋、汉义、育骅在这两年内大家能互相讨论专业知识，有问题互相帮忙，有好处互相分享， 起打球玩乐的日子非常难忘，非常幸运能在这里认识你们这一群好伙伴。也感谢学弟妹们秀芬、嫚琳、俊荣、永政、依萍、 玉龙、睿明 以及最可爱的晋源的服务以及帮忙。并且感谢一起时常打篮球的好朋友荣铨学长、太伸、昌明，感谢有你们让我往往遇到挫折失意的时候都能够到球场上去宣泄，尽情的享受打篮球的乐趣，也感谢光电所同学光宇，很怀念以前那段打电动和打屁聊天的时间。 感谢我的家人，尤其是我最辛苦的妈妈，我永远不会让你失望的，也感谢 纟秀 莉不断的给我鼓励，加油打气，让我度过许多美好的安息日，我爱你们。 v 目 录 目录 . .文摘要 . . 文摘要 .图表索引 .第一章 磷化铝镓铟材料之光学特性与发展历史 .化铝镓铟之 材料与光学特性 .2 射率 . 能隙构造 .子有效质量 .晶成长 .参考文献 . 14 第二章 磷化铝镓铟半导体雷射简介 . 17 展历程 . .性层结构 .异质结构雷射 .子井雷射 .24 应变量子井雷射 . 电流 .30 射二极体的几何结构 .35 参考文献 .第三章 50 .言 .拟软体 理论背景 . 件结构 .发辐射频谱及增益频谱谱 .局限层厚度设计 .构实验与理论模拟 . .构设计与理论分析 . 66 射的发展历程简介 .论模拟分析 .构变化量子井 个数 实验与理论模拟 88 论 .参考文献 .97 第四章 结论 . 论文发表清单 .文杂志论文： 1 篇 .讨会论文： 5篇 .附錄 B 论文中模拟程式的说明 . . . .附錄 C 模拟中所使用的程式内容 . . . 文摘要 本论文主要在探讨 650 化铝镓铟雷射二极体漏电流现象对雷射输出性能的影响。在文章的一开始，首先 介绍磷化铝镓铟的材料特性及其发展历程，并对此一材料的发展过程中所遭遇过的问题做一些简介。在文章的主体部分，根据黄满芳博士所提供的实验参数及实验结果， 我使用购自加拿大 司的 拟软体 来探讨用在 资讯储存的光源，发光波长在 650 右的磷化铝镓铟雷射二极体之各项光学特性与雷射效应，并将重点放在漏电流现象对于雷射输出性能的影响，和尝试一些改善的方法以减少漏电流的影响，进而提升雷射特性温度。 磷化铝镓铟雷射二极体已被发展超过二十年以上，其操作温度已从过去的 60 C 提升到现在 的 80 C，但 由于磷化铝镓铟的 最大导电带能隙差较小以及热电阻较大，使得在高温操作之下漏电流对雷射输出性能影响甚大，使雷射的输出性能快速的变差。因此如何减少漏电流对于 磷化铝镓铟雷射二极体在高温操作之下的影响 ， 进而提升其特性温度将是本论文的重点。 为了减少漏电流的影响我们尝试在活性层采用长波长材料砷磷化铟镓、砷化铝镓常用的结构：渐变局限异质 结构 (称 并且设计出具有不同 变曲线的情形而加以比 较，我们从模拟的方式发现，使用任何一种曲线的渐变局限异质结构的漏电流都没有比一般的分开局限异质结构(称 漏电流来得少，因此雷射输出性能并没有被提升。此一部分的实验结果也已经由黄满芳博士着手进行，以待进一步的证实模拟的结果。 我们更进一步的分析量子井个数对于漏电流的影响。我们发现量子井的个数愈多，漏电流的现象愈不明显，因而特性温度会被提高，但同时也会增加雷射的临界电流。当量子井的个数为 5 个时，已经能有效的抑制住大部分的漏电流 ，使得特性温度大为提高，但同时临界电流又不会上升太多。此一部分的模拟结果也已经被黄满芳博士进一步证实了。 x n I of to to of I of of I to of an 50 nm VD is to of in It is VD of 0 C in to 0 C. 50 nm as to in to at xi of in an it is to so of 50be at In of to I of to at In to I to to I a of be be It is be in to In I to of CH of It an in be in in in 表索引 圖 室温及长晶温度下， (a) 磷化镓铟中镓的比例， (b) 磷化铝铟中铝的比例，和晶格常数的关系图。 .圖 (P 之折射率与入射光子能量关系图。 .6 圖 不同成分的磷化铝镓铟之折射率对入射波长关系图。 .7 圖 磷化铝镓铟及其有关材料之室温晶格常数与能隙关系图。 .9 圖 (.9 圖 P 和 质结构中导电带，价电带能隙差 (铝成分的关系图。 10 圖 室温载子浓度，霍尔移动率与 分 x 在 (P 中之关系图 (a) 杂， (b) 杂 (成长温度 700 C V/为200)。 13 圖 (a)第一具能在室温下操作的磷化铝镓铟连续波雷射结构图，由 制作。 (b)为 (a)所示的 元件之电流对输出功率随温度变图。 .圖 磷化铝镓铟 双异质雷射结构图 (a)一般的 (b)有双披覆层。 21 (.圖 P 双异质结构中共振腔厚度 h 与 /h 之关系图 。 .圖 在 P 双异质雷射结构中成分 x 与临界电流0之关系图。 .24 圖 (P 量子井雷射之结构图。 圖 磷化铝镓铟 /(P 含应力之量子井雷射的结构图。 .圖 比较活性层量子井在三种不同受力情形下之能带图。 .圖 P 含应力量子井厚度与波长关系图。 .圖 633 化铝镓铟量子井雷射临界电流与应力大小之关系图 ( = = + 28 圖 比较有无 之 性图。 .圖 短波长单量子井 x = 射之临界电流、微分量子效率与波长之关系图。 . 单量子井 x = 临界电流与温度之关系图 圖 由磷化铝镓铟 的能隙图分析该结构之漏电流与 .圖 在不同波长时，导电带能隙之偏差与 p 形掺杂浓度之关系 (a) p = 81017 (b) p = 018 .圖 子井雷射， 覆层在高电洞浓度 (p = 018 )及低电洞浓度 (p = 018 )时临界电流与温度之关系。 .圖 厚度 60 )雷射 ( = 655 100 .圖 最常用的两种 (.圖 脊状波导型雷射图。 .圖 再成长法作成选择式掩埋脊状型波导雷射之步骤。 圖 深色的阻塞区域只吸收少部分基本模式 (吸收了较多的第 高次序模 ( .圖 基本模与第一高次序模之模态损失与脊状宽度之关系 。 .圖 比较磷化铝镓铟 射与脊状波导型雷射室温连续震荡功率与电流之关系图。 .圖 实验及模拟元件结构图。 .圖 量子井的组成为 度为 5 障为 (P，厚度也为 5 子浓度为 11018 时，在 20 C、 50 C、 80 C 模拟的自发辐射频谱。 .圖 量子井的组成为 度为 5 障为 (P，厚度也为 5 子浓度为 11018 时，在 20 C、 50 C、 80 C 模拟的增益频谱。 .圖 折射率与近场的光场分布沿长晶方向。其中图 (b)为图 (a)在活性层的放大图。 .圖 光场局限系数为 的基态模式远场图。 .圖 光场局限系数 为 圖 光场局限系数为 . 模拟脊状形波导磷化铝镓铟雷射二极体的电流密度分布图 (输入电流为 70 。 59 圖 实验注入电流对雷射功率输出图。 .圖 模拟注入电流对雷射功率输出图。 .圖 不同温度之下的内部损耗。 .圖 构在输入电流为 70 能带图。图 (b)是图 (a)在活性层 的放大图。 .圖 构能带间隙图。 .圖 20 C 80 C 构漏电流对注入电流关系图。 圖 20 C 80 C 构受激再结合放射率。 圖 不同量子井厚度之下 临界电流密度比较。 .圖 不同量子井厚度之下 .圖 活性层中具有不同光局限层设计的 砷磷化铟镓雷射二极体。 . (a)(b)线性 能分布、载子密度分布以及电流密度分布。 .圖 活性层中具有不同光局限层的载子注入效率。 . 不同条件之下临界电流密度对光局限层能隙波长图。 .圖 不同活性层结构的 砷磷化铟镓雷射二极体。 .圖 71 圖 磷化铟镓雷射二极体临界电流对温度图。 .圖 磷化铟镓雷射二极体斜率效能对温度图。 .圖 磷化铟镓雷射二极体远场发散角。 .圖 74 圖 构在输入电流为 70 能带放大图。 .圖 .圖 构在输入电流为 70 能带放大图。 .圖 构能带间隙图。 .圖 构在输入电流为 70 能带放大图。 . 构能带间隙图。 .圖 构在输入电流为 70 能带放大图。 .圖 圖 各个结构在 20 80 圖 各个结构在 50 .圖 各个结构在 80 81 圖 各个结构在 20 C 时输入电流为 70 受激放射率图。图 (b)是图 (a)的放大图。 .圖 各个结构在 50 C 时输入电流为 70 受激放射率图。图 (b)是图 (a)的放大图。 .圖 各个结构在 80 C 时输入电流为 70 受激放射率图 圖 各个结构在 20 C 之下输出功率对注入电流图。 .85 圖 各个结构在 50 C 之下输出功率对注入电流图。 .86 圖 各个结构在 80 C 之下输出功率对注入电流图。 .86 圖 模拟各个结构的临界电流取自然对数对温度作图。 . 20 C 之下 构在不同量子井个数的漏电流对注入电流图 。 .圖 50 C 之下 构在不同量子井个数的漏电流对注入电流图 。 .圖 80 C 之下 构在不同量子井个数的漏电流对注入电流图 。 .圖 20 C 构在 不同量子井个数的输出功率对注入电流图 。 .圖 50 C 构在 不同量子井个数的输出功率对注入电流图 。 . 92 圖 80 C 构在 不同量子井个数的输出功率对注入电流图 。 .圖 模拟 .圖 实验 .94 表 不同温度之下的内部损耗值 第一章 磷化铝镓铟材料之光学特性与发展历史 电半导体材料的发展已经三四十年了，初期所发展出的半导体雷射大多属于砷化铝镓 (砷磷化铟镓 (磷化铝镓铟 (种材料。其中砷磷化铟镓材料系统主要是因应光纤通讯所需的波长 m、 m，而砷化铝镓则应用于光资讯储存，而随着光资讯储存的密度需求提高，不得不发展出波长更短的半导体雷射来因应需求。 与砷磷化铟镓和砷化铝镓相比，磷化铝镓铟材料系统具有最宽的直接能隙 (使发光波长的范围从黄绿光到红光到之间(570680 并且因应高密度光储存及通信上对短波长的需求，磷化铝镓铟材料便自然跃升为各界对半导体雷射研究的主流。磷化铝镓铟材料系统除了发光波长的范围从黄绿 光到红光到之间，并且具有良好的长晶品质，以及晶格匹配且导电的基板，充分拥有了商业化的实力，纵使到了今日更短波长的材料氮化铟镓已被发展完全之后，这个材料系统应用于半导体雷射和发光二极体仍具有很强的市场。 在本章节中，我将对磷化铝镓铟系统本身的材料特性、能隙构造、基板、和磊晶成长法作一概略性说明。 2 化铝镓铟之材料与光学特性 磷化铝镓铟材料，是由二元化合物磷化铝 (磷化镓(磷化铟 (混合而成的四元化合物，其中包含了一个第五族元素磷，及三个第三族元素铝、镓、铟。其材 料的性质会随元素所占的比例不同而有所不同，一般我们为了清楚表示这种材料，所以给予一个通式： 时会表示成： (，其中 示铝在第三族元素中所占的百分比， b 等于 y) 为镓所占的百分比，而 c 等于 为铟所占的百分比，三者加起来为 1。 格匹配基板砷化镓 当磊晶成长半导体发光元件时，由于成长的薄膜都非常的薄，因此需 要成长在基板上，而这些发光元件的品质与选用的基板有相当大的关系，也因此会直接影响发光元件的效率和使用寿命。一般三五光电半导体用来当成发光元件的材料时，不同的材料必须磊晶成长在不同的基板上，而最常被用来当成发光元件的三五光电半导体有磷化铟(砷化镓 (板。磷化铟与砷化镓的晶格常数分别为 和 ，以砷磷化铟镓材料为例，由于这个材料是应用在光纤通讯所需的光源，其发光波长在 m 和 m；由于发光的波长较长，因此其能带间隙比较小，意味着电子与电子之间共价键的键结比较弱，电子共价键长比较长，也就是晶格常数比较长， 因此必须选择成长在晶格常数比较长的磷化铟基板，相反的磷化铝镓铟材料应用在高密度光资讯储存时发光的波段为 630670 光的波长比较短，由此可知其能带间隙比较大，电子与电子之间的共价键的键结比较 3 强，电子共价键键长比较短也就是晶格常数比较短，因此必须选择成长在晶格常数比较短的的砷化镓基板 ( 砷化镓是化合物半导体只要给予适当的掺杂就能改变其电性，一般砷化镓当基板时会掺杂形成掺杂浓度为 110 () 左右的 n 型掺杂，依照半导体的定义， 电阻率 (介于 10 2间 1。电阻率小于 10 2 (半导体便可视为导体，当砷化镓掺杂浓度为 11018 ()，其电阻率仅为 0 4 (2，小于 10 2 (如此一来便能与电极形成欧姆接触；另外，砷化镓价格便宜，且可以直接断裂形成共振面，使制作过程简化；因此，砷化镓对磷化铝镓铟雷射而言，可说是相当合适的基板。目前的磷化铝镓铟雷射元件，不论研究用途或商业用途，也不管发光波长或用途为何，都是使用砷化镓做为基板 。 磷化铝镓铟材料，是由二元化合物磷化铝、磷化镓与磷化铟所混合而成的四元化合物。砷化镓室温的晶格常数为 ，磷化铝为 ，磷化镓为 ，磷化铟为 3。砷化镓的晶格常数介于磷化铝，磷化镓和磷化铟之间，因此可以藉由调整铝、镓铟的比例使得磷化铝镓铟与砷化镓具有相同的晶格常数；并且由于磷化镓和磷化铝的晶格常数几乎一样，所以在磷化铝镓铟材料中铝镓的比例不会影响到磷化铝镓铟的晶格常数，这也就是为何只需考虑磷化铟镓 (磷化铝铟 (的铝 铟比或镓铟比，然后再使用律调节晶格常数和砷化镓匹配。图 的 (a)及 (b)为室温及长晶温度下磷化镓铟中镓的比例，和磷化铝铟中铝的比例，对晶格常数的变化 。 如 (a)及 (b)图所示 ， 由于磷化铝和磷化镓具有非常相近的晶格常数，使得在室温时 (300K)磷化铟镓和磷化铝镓中的镓和铝的含量比例占 铟占 能调节成四元的磷化铝镓铟合金与砷 4 化镓 的晶格常数匹配； 而在长晶温度 (975K)时，磷化铟镓和磷化铝镓中的镓和铝的含量比例占 铟占 ，也能调节成四元的磷化铝镓铟 合金与砷化镓的晶格常数匹配。 如果磷化铝镓铟磊晶层在长晶温度时与砷化镓匹配，由于磷化铝镓铟与砷化镓的热膨胀系数不同，使得在温度冷却到室温时会产生大约 的压缩应力。但如果在室温时就把镓和铝的比例控制在 ，那在磊晶成长时会受到 伸张应力，如此一来会使得磊晶层裂开。但是磊晶层可以承受压缩而不致裂开，所以在调节镓和铝的含量使得磷化铝镓铟的晶格常数与砷化镓匹配，是以长晶温度为准，一般都以铟的成分比例为 50%来设计，这也就是常见的表示式 (P 的 由来。 图 温及长晶温度下， (a) 磷化镓铟中镓的比例， (b) 磷化铝铟中铝的比例和晶格常数的关系图。 此外，由于铟原子与镓原子之质量有区别，因而会增加声子散射 (也是增加热阻力，所以 热电阻系(a) (b) 5 数为 W19 w 比砷化铝镓的 W10 w 来得大 5，加不易导热。所以，磷化铝镓铟材料的热问题严重，加上其 最大导电带能隙差只有 270 砷化铝镓材料小了 80 (第一章 节有详细说明 )，导致容易产生漏电流的情形使得特性温度变差， 有关磷化铝镓铟漏电流情形对雷射输出性能的影响之议题在第三章将会做一详细的探讨。 射率 入射光能量对于共价或离子键材料折射率的影响，最早的关系式由 1971 年提出，如式 示， n 为材料折射率， 荡能量 ( 后人称此计算方式为 7， 但此计算法仅适用于材料完全不吸收入射光时，当入射光能量接近材料的能隙时， 便会失去它的准确性，如图 示，为 之磷化铝镓铟之折射率与入射光子的能量关系图 8。 2E (1.1)a 6 图 P 之折射率与入射光子能量关系图 。 为了求得更精确的折射率值， 1974 年，发表修正后的 ，称为 9，如式 示， E为材料直接能隙的能隙大小；此法在发表时乃是利用砷化铝镓材料系统加以验证，发现计算结果十分的准确；后来 验证了 计算结果与磷化铝镓铟折射率的量测值相符 10，其中 ， ， ， x 为 (P 中铝的成分变数。图 1为入射光能量对磷化铝镓铟折射率的关系图，是利用 计算出来的。 )n ()2 ( a 本论文所使用的模拟软体 磷化铝镓铟材料的折射率参数设定也是使用 。 7 2 . 933 . 13 . 23 . 33 . 43 . 53 . 65 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 5 5P( A 7 3)0 . 5 5P( A 5 5)0 . 5 5P( A 3 7)0 . 5 5 5 5n)W a v e l e n g t h ( n m )图 同成分的磷化铝镓铟之折射率对入射波长关系图。 隙构 造 磷化铝镓铟材料是由磷化铝、磷化镓和磷化铟三者混合而成，其中 磷化铟为直接能隙，而磷化铝和磷化镓属于间接能隙，且 12， 间接能隙 13，因此我们可以推论得知，当 (P 中铝的成分增加到某一定程度时，能隙一定会由直接转变成间接，而此转变点也就是元件性能极度变差的起始点。 模拟软体 磷化铝镓铟块材的能隙设定是采用 的计算方式 ，铝的比例为 ，为直接能隙与间接能隙的转变点 14；至于磷化铝镓铟量子 井的直接能隙设定是采用成分比例线性计算的方式，再加上不同成分化合时的修正项 (如式 中磷化铝铟的修正项为 化镓铟的为 化铝镓的为 15 x ( 8 o w i n gL i n e a r)x(E a EL i n e a r I l P )o w i n g A l G aI l I (接下来更进一步的探讨磷化铝镓铟与砷化铝镓能隙大小之差异性，并且说明磷化铝镓铟材料先天不利的原因。图 各种材料之室温晶格常数与能隙之关系 8；由图中可见，磷化铝镓铟与砷化镓材料的晶格常数呈一直线的关系，如果要使磷化铝镓铟材料能和砷化镓基板晶格匹配 ，此时必须好好设计磷化铝镓铟各个原子的组成，使其能隙范围位 于 .3 间 (图 中直线的地方 )。图 (P 的能隙与 成分 x 之关系 6；如图所示， 子的比例愈高时，除了容易与氧产生结合产生氧化铝而形成内部缺陷之外，而且当 分超过 ，能隙会由直接能隙转变为间接能隙，也就是 (P 的直接能隙到 2.3 止；此外，虽然磷化铝镓铟的能隙比砷化铝镓高，但是砷化铝镓的能隙范围是 750 磷化铝镓铟的范围却只有 450 以对光及电的局限作用而言，磷化铝镓铟会比较砷化铝镓来得差。因此砷化铝镓材料之半导体雷射的临界电