【毕业学位论文】（Word原稿）光纤通讯用磷化铝镓铟570-nm面射型半导体雷射之设计与光学特性之模拟研究-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 光纤通讯用磷化铝镓铟 570射型半导体雷射之设计与光学特性之模拟研究 70究生：屠嫚琳撰 中华民国九十四年 I 国立彰化师范大学光电科技研究所 硕士论文 研究生：屠嫚琳 光纤通讯用磷化铝镓铟 570射型半导体雷射之设计 与光学特性之模拟研究 70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 _ 中华民国九十四年六月 权书 (博硕士论文 ) 本授权书所授权之 论文为本人在 彰化师范 大学 光电科技 研究所 93 学年度第 2 学期取得 硕 士学位之论文。 论文名称： 光纤通讯用磷化铝镓铟 570射型半导体雷射之设计与光学特性之模拟研究 同意 不同意 本人具有著作财产权之论文全文资料，授予行政院国家科学委员会科学技术资料中心、国家图书馆及本人毕业学校图书馆，得不限地域、时间与次数以微缩、光碟或数位化等各种方式重制后散布发行或上载网路。本论文为本人向经 济部智慧财产局申请专利的附件之一，请将全文资料延后两年后再公开。 (请注明文号： ) 同意 不同意 本人具有 著作财产权之论文全文资料，授予教育部指定送缴之图书馆及本人毕业学校图书馆，为学术研究之目的以各种方法重制，或为上述目的再授权他人以各种方法重制，不限地域与时间，惟每人一份为限。 上述授权内容均无须订立让与及授权契约书。依本授权之发行 权为非专属性发行权利。依本授权所为之收录、重制、发行及学术研究利用为无偿。上述同意与不同意之栏位若未钩选，本人同意视同授权。 指导教授姓名： 郭艳光 研究生签名： 学号： 92252003 (亲笔正楷 ) (务必填写 ) 日期：民国 94 年 6 月 15 日 1. 本授权书请以黑笔撰写并影印装订于书名页之次页。 2. 授权第一项者，请再交论文一本予毕业学校承辨人员或径寄 106北市和平 二段 106 路 1702 室国科会科学扳术资料中心王淑贞。（电话 02 3. 本授权书已于民国 85 年 4 月 10 日送请内政部著作权委员会 (现为 经 济部智慧财产局 )修正定稿。 4. 本案依据教育部国家图书馆 (85)图编字第 712 号函辨理。 谢 首先我要感谢郭艳光老师在我研究所的日子里授与我专业知能、培养语文方面的能力，更重要的是在做人处事的态度，以及其 他各方面的提携，让我在面对处理事情的态度及方法上都越来越能够掌握诀窍，也要感谢刘柏挺博士在专业上给我的指导及良好的人生价值观。 接着我要感谢实验室伙伴及在硕士班其间与我共度的同侪；从刚进蓝光实验室，郁妮学姊、志原学长和文伟学长花许多时间耐心地为我们上课，诒安学长和志康学长在学习过程中给我们许多帮助、带给我们欢笑，胜宏学长、正洋学长及孟伦学长认真负责的做事态度，给我们做了很好效法的榜样，以及我们这届的小骅、小义、秀芬和尚卫，在许多日子里，我们一起拥有过的欢笑、一起讨论功课、一起出游、一起吃好料，还有两位勇于承 担的永政学弟和俊荣学弟，常常帮实验室管理电脑、处理杂事，可谓蓝光实验室的两大支柱。还有离我们最近的液晶三人组，耀生、景瑞、朝渊把我当麻吉，常找我过去聊天、坐坐，还要谢谢所有光电所的同学，陪伴我一起成长。 其次也要感谢我的好朋友们，怡君、小胖、阿锵、沛儒你们都曾在我人生最失意的时候拉我一把，因为有你们，让我的生命丰富了起来，谢谢你们。 最后我要感谢最重要的爸爸妈妈长久以来供我读书、在精神上给我鼓励，还有力伟，在生活中对我的照顾和包容、分享我的喜怒哀乐， V 还有可爱的 贝，每天回家总喜欢坐在我腿上跟我撒娇， 越大越乖啰！由于你们的支持，让我的生命倍感温暖，还有其他曾经给我帮助的朋友，谢谢你们在我的人生路上增长我的智慧，我爱你们！ 录 目录 . 中文摘要 . 英文摘要 . 图表索引 . 第一章 磷化铝镓铟系统之材料与光学特性 . 1 化铝镓铟系统简介 . 2 带间隙 . 3 射率 . 7 力 . 9 拟参数 . 14 参考文献 . 16 第二章 面射型雷射元件设计之简介 . 21 射型雷射的特点及其应用 . 22 晶法 . 25 射型雷射结构 . 28 代面射型雷射的发展 30 工作原理 . 37 参考文献 . 41 第三章 570 射型雷射之设计与分析 . 45 择 活性层发光材料 . 47 件 结构设计 . 50 拟结果与分析 . 47 始结构分析 . 51 电流现象之探讨 . 52 益频谱与共振腔的偏移 . 66 参考文献 . 72 第四章 结论 . 75 附录 . . 77 文摘要 本论文在探讨应用在光纤通讯上的雷射光源磷化铝镓铟黄绿光的570射型半导体雷射。主要分成四个部分；首先在第一章的部分主要介绍磷化铝镓铟的材料特性，其中包含能带结构、折射率材料参数、能隙补偿差，以及应力对能带结构所造成的变化，进而对元件特性的影响。 第二章主要在介绍面射型雷射相较于传统侧射型雷射的特色以及化合物半导体常见的磊晶法。另外，在控制电流方式上分成四个基本结构： 蚀刻空气台柱型、离子布植型、再磊晶埋入异质接面型和氧化局限型。在本章节中，我另外针 对 近代 650 射型雷射的发展历程做介绍，以及多层膜反射镜的工作原理和多层膜的膜厚设计。 第三章首先说明设计 570 射型雷射的研究动机，接下来先分析各种活性层结构，选择具有最佳的自发辐射速率作为活性层材料，再设计整个元件的初始结构。接着从模拟结果中发现溢电流现象相当严重，因此我尝试在元件结构中加入电子阻碍层去阻挡电子溢流，模拟得到的结果的确获得改善。最后是分析共振腔和增益频谱的偏移，在这里我探讨使用量子井厚度和量子井成分去修正波长，并且比较修正波长后是否对元件效能的产生影响。最后在第四章的部分对本 论文内容做一个概括性的结论。 n I 70to in I do is of on of In I of in to I 50of of I 70 of to be In it is in I to X to is I to I to of by of In I a of 表索引 圖 磷化铝镓铟及其相关材料在室温下之晶格常数与能隙关系图。 . 3 圖 (a)用 测 到在不同压力的能带结构变化关系图。 (b)利用线性回归所得到的直接能隙与间接能隙转换图。 . 5 圖 (y)导电带与价电带的能隙补偿差。 . 7 圖 压缩应力与舒张应力对能带结构的影响。 . 10 圖 (a)应力示意图 (一 )、 (b)应力示意图 (二 )。 . 11 圖 由 J. W. A. E. 理论模型计算所得到P 的应力对临界厚度的关系。 . 12 圖 力对 . 13 圖 波长 633 637 子井雷射的应力对临界电流影响关系图。 . 14 圖 侧射型雷射与面射型雷射的比 较示意图。 . 22 圖 共振腔模式频谱与增益频谱的对应关系图。 . . 23 圖 . 27 圖 . 27 圖 蚀刻空气台柱型。 . 29 离子 布植型。 . 29 圖 再磊晶埋入异质接面型。 . 30 圖 氧化局限型。 . 30 圖 K. D. 人的选择性氧化层面射型雷射结构图。 . 31 圖 选择性氧化层孔径分别为 55 44 22 . 31 圖 A. M. 人 所 使 用 的 元 件 结 构图。 . 32 圖 在不同的 ，比较 A、 B、 C、 D 四种不同 晶 片 ， 在 电 流 密 度 为 8 kA/ 得 到 的 微 分 电阻。 . 33 圖 比较 使用不同 ，临界电流密度对波长的关系图。 . 34 圖 在 420 C 时， 含量对氧化速率的关系。 . 35 圖 在不同温度下，比较 氧化深度和时间的关系。 . 35 圖 在室温下连续波操作氧化层孔径为 13 m 的雷射性能与率图。 . 36 圖 在连续波操作下变化温度，氧化层孔径为 5 m 的雷射性能图 。 . 36 圖 射镜的反射原理 (一 )。 . 38 圖 射镜的反射原理 (二 )。 . 38 面射型雷射反射频谱图。 . 40 圖 . 45 圖 . 46 圖 . 46 圖 在不同 镓浓度下， 厚度对 . 47 圖 初始元件结构图。 . 51 圖 量子井个数对临界电流的关系图。 . 52 圖 量子井个数对临界电流和斜率效率关系图。 . 52 圖 620 射型雷射随着波长越短，溢电流明显增加。 . 53 圖 电流密度分布与量子井位置迭合图。 . 54 圖 输入电流密度与 (a)溢电流量 (b)溢 电流百分比关系图。 . 55 圖 变化 杂浓度的输入电流密度与 (a)溢电流量 (b)溢电流百分比关系图。 . 56 圖 变化 a)溢电流量(b)溢电流百分比关系图。 . 57 圖 变化 a)溢电流量 (b)溢电流百分比关系图。 . 58 圖 变化 铟浓度输入电流密度与 (a)溢电流量 (b)溢电流百分比关系图。 . 59 圖 比较没有 有 性温度。 . 60 变化 a)溢电流量(b)溢电流百分比关系图。 . 61 圖 比较没有 有 性温度。 . 62 圖 变化 杂浓度的受激放射速率图。 . 63 圖 变化 杂浓度的输出功率对输入电流图。 . 63 圖 变化不同 受激放射速率图。 . 64 圖 变化不同 输出功率对输入电流图。 . 64 圖 变化不同 受激放射速率图。 . 65 圖 变化不同 输出功率对输入电流图。 . 65 圖 变化不同 受激放射速率图。 . 66 圖 变化不同 输出功率对输入电流图。 . 66 圖 不同温度下的自发辐射速率频谱图。 . 68 圖 修正后不同温度下的自发辐射速率频谱图。 . 68 圖 图 图 自发辐射速率对应峰值波长和温度的关系。 . 69 圖 采用不同方式修正发光波长后的临界电流与温度关系图。 . 70 圖 发光波长修正前和修正后的临界电流与温度关系 。 . 70 圖 650 射型雷射发光波长修正前与修正后的临界电流与温度关系图。 . 71 表 模拟中所采用的重要参数。 . 14 表 光纤种类与特性关系比较 。 . 24 表 不同氧化层孔径、温度所对应发光波长的输出功率。 . 37 表 . 48 表 在个别 定的情况下， 浓度与井宽调变 发光波长皆发在 570 . 49 1 第一章 磷化铝镓铟系统之材料与光学特性 在网路科技发达的现代，光纤通讯变成人类不可或缺的一部份。由于光纤通讯快速的成长，取代了部分传统以铜线传输的通讯方式，以至于不论在电信网路、数据网路、有线电视网路都大量的使用光纤作为传输媒介。由于光的传输速度和容量各方面特性都远优于电，所以未来有机会成为通讯建设中的主流。因此如何设计一个高效率的雷射光源就变成光纤通讯中重要的一环。 目前常见的光纤可分为长程用石英玻璃光纤（二氧化硅，简称中短程用塑胶光纤 列 (在光电半导体材料的发展历程中， 砷化铝镓铟 (氮砷化铟镓 (氮砷锑化铟镓 (由于 作为海底光缆。而塑胶光纤所使用的雷射光源有砷化铝镓铟 (磷化铝镓铟(塑胶光纤的成本较 此也较容易实现光纤到家(o 光纤到桌 (o 理想。 2 化铝镓铟系统简介 由于磷化铝镓铟材料具有较大的能带间隙 (因此被广泛地应用在红光、黄光，甚至到绿光的发光元件上，例如侧射型雷射及近年来新兴的面射型雷射便是光碟片雷射读取头及光纤通讯的重要应用，此外还有高亮度发光二极体也已逐渐取代传统白炽灯泡成为常见的交通号志的主流。 磷化铝镓铟材料是由磷化铝、磷化镓及磷化铟三组二元化合物所组合而成，波长在 555 此，磷化铝镓铟所存在的问题是当活性层设计发光波长接近这个交界点时 ，导电带能隙差变得相当小，内部量子效率变差，使得整体的元件性能降低，这些都是由于溢电流所造成。所以溢电流现象在 570 第三章会针对这个议题作深入的分析探讨，在本章中我将对磷化铝镓铟材料的能带结构、折射率、应力的效应以及其他重要参数设定做一系列的介绍。 3 带间隙 图 表示的是砷化物、磷化物与砷磷化物在室温 300K 时晶格常数与能带间隙的关系图 1，在磷化铝镓铟四元化合物所围成的区域面积里，与 料有一条直线形成晶格匹配，此时的铟浓度约在 此一般为了得到良好的长晶品质，通常成分会长在 (x)薄膜与 板能够晶格匹配。但是在某些情况下，为了降低临界电流，也会在结构中刻意加入一些应力，这部分在 中会加以详细说明。 图 化铝镓铟及其相关材料在室温下之晶格常数与能隙关系图。 磷化铝镓铟材料是由磷化铝、磷化镓及磷化铟三组二元化合物所组合而成，其中磷化铟为直接能隙材料，磷化铝和磷化镓为间接能隙 4 材料，然而磷化铟镓 (直接能隙材料、磷化铝铟 (间接能隙材料，由此可知，当 (x)铝含量持续增加到某个程度时，便会造成直接能隙与间接能隙 (转换，当活性层材料设计的铝含量超过这个转换点时，便会使得元件的性能开始下降。各界学者对于四元化合物 (x) (换点的探讨方式不尽相同，例如 A. D. 人则 采取光激萤光法(测实验，在不含铝浓度 (情况下得到在不同压力的能带结构变化关系，如图 1.2(a)所示。当压力增加时会导致能带间隙变大，当压力增加到 28 便发生直接能隙与间接能隙转换，能带间隙逐渐减小。经由内插法便可得到在 0 的间接能隙值。由相同的方法进而变化不同的铝浓度，再利用线性回归的方式即可得到直接能隙与间接能隙转换关系图，求出转换值 2，如图1.2(b)所示。 另外 X. H. 人则采用第一原理中虚拟晶体近似的虚位能法(算能带间隙 3，但大致上可分为实验归纳及量子井成分线性迭加计算等 方 式 。 但 由 于 本 研 究 量 子 井 结 构 系 采 用 补 偿 式 应 力(因此在计算上不再是用晶格匹配的 (P 计算方式，而必须改为 x 5 图 a)用 b)利用线性回归所得到的直接能隙与间接能隙转换图。 磷化铝镓铟量子井材料在模拟软体 D, 能隙参数设定采用三个二元化合物磷化铝、磷化镓、磷化铟成分线性迭加方式计算，考虑不同成分化合的弯曲参数 (及温度变化所产生的变化量，其中磷化铝铟的弯曲参数为 化铟镓为 化铝镓为 。 (yb)x)bE)E)T(E)b)l G aI l I l PL i ne i ne 6 另外，如式 示为 了定义 四元化合物的能带间隙和 自旋轨道分裂 (建立的 4,5。其表示方式为利用线性迭加先求出三个三元化合物磷化铝镓、磷化铝铟、磷化铟镓的能隙值 (含 再混合成四元化合物计算。 ( T )E) ( )x)w(T)x)v(T)y)u(x yT)yb)x)bE)EA l I n PG a I n PA l G a PA l G a PG a I n PA l I n PI n PG a PA l PL i n e a r其中A B C b)x1(xT)x1(xT)x(T 为三元化合物的线性组合，2y)x(1u 、22y)x(2v 、2y)2x(2w 。 由于两种材料不同变化的结合，会使得能隙大的材料和能隙小的材料形成能隙补偿差 (而且随着 元化合物材料成分的不同，亦会有不同的导电带能隙补偿差 (价电带能隙补偿差 ( 比值，即 在搜集的文献中发现，各方对于 认定不一，有43/577、 60/408、 65/359 12、 67/3313 15、 75/2516，目前大部分的学者所认定的 半在 65/35 67/33 之间，而在我设定的模拟参数中，则采用 65/35。 7 图 y)导电带与价电带的能隙补偿差。 射率 S. H. M. 1971 年 首度提出入射光子能量与共价键和离子键材料的折射率的关系 17，公式如 示： 2E ( 其中 在静态下的入射光子能量， 在频率相依 (的震荡能量 ( 此种计算方式称为 但由于此方式并不适用 于入射光子能量接近材料的能带间隙，因此在 1974 年， M. A. 出修正后的 ，称为 8 至今较为人所广泛应用 1821，公式如式 示。 )n ()2 (当 材 料 为 (x)， ，d ， ，但是由于不同的铟浓度（应力结构）会造成铝浓度分别与震荡能量和色散能量的线性公式改变，因此在结构中若使用具有应力的结构，就必须采用不同的震荡能量公式及色散能量公式，其表示式如式 (式 (示 19。 0 6E o ( ( ， 2p 其中 p 为电浆频 率 ( 震荡力 ( e 为电荷， m 为价电带电洞质量，N 为导电带单位体积的电子数。但是由于具应力的特定材料参数搜集不易，因此采用线性迭加的方式计算，在 拟软体中的计算方式亦采用此法。 9 力 在长晶时，晶格匹配 (一个很重要的考量。没有应力的化合物半导体材料中，在价电带的轻电洞与重电洞的能带会维持简并态，并且导电带的电子质量与价电带的电 洞质量会维持一个对称的关系，然而在一个具应力的系统中，应力会破坏这种晶格的对称性，使得电洞的有效质量改变，导致能隙值会有增加或减少的现象；当成长的薄膜的晶格常数比基板晶格常数小，薄膜所产生的张力称为舒张应力 (反之，成长的薄膜晶格常数比基板晶格常数大，薄膜所产生的压力称为压缩应力 ( 无论是舒张应力或是压缩应力，轻电洞的偏离情形会比重电洞明显。根据 增益临界条件 22： ( 光子能量必须大于能带间隙，电子才会发生跃迁行为，又如图 示，当材料受到舒张应力时，能带间隙的定义便由导电带底端与轻电洞构成的价电带顶端的能量差所主宰，所以会使能带间隙减小；当受到压缩应力时，能带间隙值则由导电带底端和重电洞构成的价电带顶端的能量差来决定，因此能带间隙会增大。 10 图 缩应力与舒张应力对能带结构的影响 23。 在不含应力的情况下，价电带的重电洞与轻电洞能阶会简并在一起，但是系统 产生应力时，重电洞和轻电洞能阶分裂，价电带的能隙差 (要重新定义。导电带能隙差和价电带的重电洞与轻电洞能隙差分别用下列数学式表示 24,25： /1112112 ( /111211/111211 22 ( 111211111211 22 ( 其中 b 为切变位能 ( 所成长薄膜的弹性系数 (x y z 11 /为平行长晶面方向的应力，其定义为： 000 ( a 为所要成长的薄膜晶格常数， 号表示压缩应力，负号表示舒张应力，而能带间隙修正为： )o r ( ( 图 a)应力示意图 (一 )、 (b)应力示意图 (二 )。 由两种晶格不匹配 (材料所组成的介面会产生晶体缺陷，这是由于原子断键 (成电子电洞非自发性再结合 (如图 1.5(b)所示，沿着晶轴走一段距离，会缺少一颗原子，而这些缺少原子之间的距离约为 L a 26。沿着长晶轴持续增加薄膜厚度，当厚度增加到 某个程度，就会产生大量的晶格缺陷，甚至造成晶格断裂，这个厚度就称为临界厚度 (由 J. W. A. E. 人提出的临界厚度计算公式 27为： 12 1f4 hh ( ， b 为具有应力