【毕业学位论文】（Word原稿）蓝紫光雷射与氮化物材料特性之分析-光电工程技术

国立彰化师范大学光电工程技术研究所 硕士论文 指导教授：郭艳光 教授 蓝紫光雷射与氮化物材料特性之分析 究生：林正洋 撰 中华民国九十三年六月 国立彰化师范大学 光电工程技术 研究所 硕士论文 研究生： 林正洋 蓝紫光雷射与氮化物材料特性之分析 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 国立彰化师范大学 博硕士论文电子档案上网授权书 (提供授权人装钉于纸本论文审定页之次页用 ) 本授权书所授权之论文为授权人在 国立彰化师范 大学 光电工程技术 研究所 92 学年度第 二 学期取得 硕 士学位之论文。 论文题目： 蓝紫光雷射与氮化物材料特性之分析 指导教授： 郭艳光 教授 兹同意将授权人拥有著作权之上列论文全文（含摘要），授权本校图书馆及国家图书馆，不限地域、时间与次数，以电子档上载网路等数位化方式，提供读者基于个人非营利性质之线上检索、阅览、下载或列印。 论文电子全文上载网路公开时间： 一、校内区域网路： 立刻公开 1 年后公开 2 年后公开 3 年后公开 4 年后公开 5 年后公开 不公开 二、校外网际网路： 立刻公开 1 年后公开 2 年后公开 3 年后公开 4 年后公开 5 年后公开 不公开 指导教授：郭艳光 教授 研究 生（授权人）签名：林正洋 （请亲笔正楷签名） 学 号： 91252004 中 华 民 国 93 年 07 月 05 日 志 谢 我能完成本篇论文，第一个要感谢我的指导教授郭艳光老师与共同指导教授刘柏挺老师。这两年来郭老师与刘老师对于我专业知识上的指导与生活处世上的教诲，让我获益良多。郭老师在文书方面上小心谨慎的态度以及要具艺术美感的要求，使得我在处理事情时都会以一个严谨积极的态度去面对。刘老师在一些待人处世上让我可以更加地成熟稳重，在此致上我最深的感谢 。 再来要感谢奶奶、老爸、老妈、阿 及小妹，在研究所求学中持续不断地给支持与勉励，让我有充足的活力完成学业，也谢谢家人在我遇到挫折灰心时都会陪我一起走下去，即使我一个人在外无论是求学或是即将就业，我也不会觉得孤单，因为这一路上有你们。 接下来感谢一起打拼的实验室伙伴们：陈美玲老师、诒安学长、志康学长的指导与协助，使我在研究的路上能够及早进入状况同时也帮助我解决许多问题。在此也谢谢同学胜宏、汉义、孟伦、育骅，对于我在课业上、研究上以及生活上的帮助与照顾，让我能顺顺利利。最后谢谢学弟妹：佩璇、秀芬、尚卫、 嫚琳、依萍、俊荣、永政，从他们身上让我学到不少东西，也因为他们的存在让我的生活充满阳光与欢乐。我相信这些咱们一起度过的日子将是令人难以忘怀，在此仅以此论文献给他们。最后，再次感谢所有曾经帮助过我的人。 目 录 目录 . 中文摘要 .英文摘要 .图表索引 . 第一章 光电半导体 发展之简介 1 言 . 1 电半导体发展与其应用之简介 . 1 化合物 . 5 氮化物发光二极体 . 6 氮化物雷射二极体 . 9 论 . 17 参考文献 . 18 第二章 分析蓝紫光雷射特性之影响 . 20 言 . 20 . 21 拟结构与参数设定 . 22 拟结果与分析 . 27 电子溢流现象之探讨 . 27 分析蓝 光雷射特性之影响 . 32 分析紫光雷射特性之影响 . 44 佳量子井个数设计 . 55 论 . 59 参考文献 . 61 第三章 化铝镓铟材料特性之探讨 67 构之氮化铟镓 材料 . 67 言 . 67 拟结构与参数设定 . . 69 拟结果与分析 .70 论 78 构之氮化铝镓 材料 . 79 言 . . 79 拟结构与参数设定 . 81 拟结果与分析 . 82 论 . 94 参考文献 . 96 第四章 结论 . 101 附錄 A 论文发表清单 . I 定英文杂志论文： 1 篇 . I 文杂志论文： 1 篇 . I 讨会论文： 5 篇 . 中文摘要 我的硕士论文主要分成蓝紫光雷射特性 之分析与氮化物材料之探讨两个部份，其中第一个部份是分析 量子井 雷射 特性的影响。此章节以早期最常被使用的比值 3/7 与最近被共同认知的比值 7/3，来探讨此比值在分析蓝紫光氮化铟镓量子井雷射特性上的差异，包括 电子溢流、受激再结合速率及电子和电洞浓度分布等，并且探讨量子井个数与临界电流的关系。结果显示多量子井结构在较长发光波长时，比值 7/3 的电子浓度分布不均匀；而比值 3/7 的电洞浓度分布极不均匀。此外，比值 3/7 时， 波长小于 426 两个量子井的临界电流较小，而大于 426 则是一个量子井的临界电流较小。当比值 7/3时，分界点波长则移至 450 第二部份是我们使用最低能量法求出 构 且分别与 s 计算出的晶格常数比较，进而就两个结构分别去探讨上述两种方法所得知晶格常数对 构 构 能带间 隙与弯曲系数的影响。研究 显示， 构使用最低能量法所得之晶格常数 a 小于由 s 得之 a 值，偏异系数是 ；而使用最低能量法所得之晶格常数 s 得之 c 值，偏异系数是 ；以最低能量法计算所得能带间隙之弯曲系数为 由 s 到 能带间隙之弯曲系数为 构 使用最低能量法所得之晶格常数 a 大于由 s 得之 a 值，偏异系数是 ； 最低能量法计算所得能带间隙之弯曲系数为 遵守 s 得到 能带间隙之弯曲系数为 而 最低能量法计算所得 构接能隙与间接能隙之转换点 度为 度小于 为直接能隙材料， 度大于 为间接能隙材料。 n I of of In of of an 00 480 nm of , , is by of of in is , of is is if is 50 if is 50 In of on is to of a c of to s a c A eV is by of eV is s a of is to s of is to . A eV is by of eV is s is a x = by of is a is an is 图表索引 圖 光电半导体常用的材料与频谱。 . 2 圖 半导体发光二极体的发展概况。 . 3 圖 异质蓝光发光二极体之结构图。 . 7 圖 单量子井高亮度蓝紫光发光二极体之结构图。 . 8 圖 蓝宝石基板上的雷射结构。 11 圖 覆层成在蓝宝石 化镓基板上的雷射结构。 . 12 圖 化镓基板之截面图。 (b)为 (a)之示意图，如雷射成长在射效能不佳。 . 13 圖 化镓基板上成长雷射结构。 . 14 圖 雷射在 20 C 及 3 所需的电流与雷射寿命图。曲线 (a)是雷射结构长在 10 m 厚 化镓和蓝宝石基板，曲线 (b)是雷射结构长在 80 m 厚的 化镓基板。 . . 14 圖 波长约为 408 射量子井个数与临界电流之关系图。 . 15 圖 波长为 435 射量子井个数与临界电流之关系图。 . 16 圖 中图 b)为导电带井深较小的结构，电子溢流比较严重。 . . 蓝紫光氮化铟镓量子井雷射模拟结构图。 (a)蓝光， (b)紫光。 23 圖 量子井雷射结构，变化不同铝浓度 之氮化铝镓阻碍层时，电子溢流对总电流之关系图。 (a)3/7， (b)7/3。 . 28 圖 量子井雷射结构，变化不同铝浓度之氮化铝镓阻碍层时，活性区电流对总电流之关系图。 (a)3/7， (b)7/3。 . 29 圖 a)3/7， (b)7/3。 . . 34 圖 量子井蓝 光雷射结构的受激再结合速率图。 (a)3/7， (b)7/3。 . 36 圖 子井蓝光雷射结构，不同量子井个数情况下的受激再结合速率图。 (a)3/7， (b)7/3。 圖 量子井蓝光雷射结构的电子浓度分布图。 (a)3/7， (b)7/3。 . 39 圖 量子井蓝光雷射结构 的电洞浓度分布图。 (a)3/7， (b)7/3。 40 圖 子井蓝光雷射结构，不同量子井个数情况下输出功率对输入电流关系图。 (a)3/7，(b)7/3。 . 41 圖 量子井紫光雷射结构的能带图。 (a)3/7， (b)7/3。 44 圖 量子井紫光雷射结构的受激再结合速率图。 (a)3/7， (b)7/3。 . 45 圖 子井紫光雷射结构，不同量子井个数情况下的受激再结合速率图。 (a)3/7， (b)7/3。 47 圖 量子井紫光雷射结构的电子浓度分布图。 (a)3/7， (b)7/3。 . 49 圖 量子井紫光雷射结构 的电洞浓度分布图。 (a)3/7， (b)7/3。 . 50 圖 掉 ， 7/3。 (a) 电子浓度分布图， (b)电洞浓度分布图。 .51 圖 子井紫光雷射结构，不同量子井个数情况下输出功率对输入电流关系图。 (a)3/7，(b)7/3。 . . 53 圖 单量子井与双量子井雷射结构的临界电流对波长关系图。 a)3/7， (b)7/3。 .56 圖 构 晶格常数 a 对铟浓度之关系图。 71 圖 构 晶格常数 c 对铟浓度之关系图。 71 圖 构 能带结构图。 . 75 圖 . 76 圖 立方晶系的 构图 。 . 80 圖 构 体结构图。 . 83 圖 构 85 圖 构 能带结构图。 . 89 圖 构 接和间接能隙与铝浓度之关系图。 91 表 日亚公司发光二极体之发展。 . 9 表 日亚公司雷射二极体之发展。 . 10 表 射结构的宽度会影响输出之雷射光的震荡情形。 25 表 关参数设定值与参考文献。 . 26 表 3/7， 量子井雷射结构，在不同铝浓度之氮化铝镓阻碍层时，输入不同电流值下电子溢流百分比。 30 表 7/3， 量子井雷射结构，在不同铝浓度之氮化铝镓阻碍层时，输入不同电流值下电子 溢流百分比。 . 31 表 3/7 与 7/3 时， 子井蓝光雷射结构，不同量子井个数情况下之临界电流值与雷射效能。 42 表 3/7 与 7/3 时， 子井紫光雷射结构，不同量子井个数情况下之临界电流值与雷射效能。 54 表 3/7 时，单量子井与双量子井 雷射结构，在不同波长下之临界电流值。 57 表 7/3 时，单量子井与双量子井雷射结构，在不同波长下之临界电流值。 58 表 a。 . 73 表 c。 . 74 表 构 能带间隙。 76 表 构 单位晶格体积。 77 表 最低能量法 求得 . 84 表 最低能量法 求得 构 晶格常数 a 值与其他学 者比较。 . 85 表 构 晶格常数a。 .表 隙。 . 92 表 隙。 . 92 表 构 位晶格体积。 . 92 第一章 光电半导体发展之简介 言 光源对于人类的日常生活影响非常大， 19 世纪初，人们开 始使用煤气灯，因为燃料是煤气，所以一但堵塞或漏气，就很容易出事。直到 1880 年爱迪生发明电灯，对于照明有了重大的改变，大大改善人们的生活品质，这也让光源的使用更加安全，而电力的时代也从这一刻开始。电灯的发明影响人们生活至今已超过一百年，虽然今日的主要照明设备还是以日光灯或传统灯泡为主，但是随着每年全球人口的快速增加，使得生活空间与能源变的愈来愈不足。所以为了减少资源的浪费与提高人类的生活品质，人们在三十多年前就展开光电半导体的研究，这是另一个照明革命的开始。光电半导体发光二极体 (雷射二极体 (有省电、高亮度、高效率、体积小、重量轻和元件寿命较长等优点，由于如上述之优点使得光电半导体有逐渐取代传统照明光源的趋势。 电半导体发展与其应用之简介 从光电半导体材料的发展历史中可以得知，早期光电半导体材料是以成长砷化镓 (技术比较成熟。所以在 60 年代与 70 年代间便已经有发光二极体及雷射二极体制成而且最先被使用到光纤通信系统上，其发光波长为 850 80 年代因为有机金属气相磊晶技术 (以成功的成长光电半导体材料，所以对于整个光电元件发展有了很大的帮助。因为光纤通信传输系统在 1300 1550 别有最小色散窗 (最低损失窗 (而且 850 光纤传输中会有高能量的扩散和低传输速率等缺点，所以在长程光纤通信传输系统逐渐被取代，使得全球的光纤传输系统能普及化与世界化，造就了我们在网路无国界并奠定高速资讯网际 网路的基础。 图 电半导体常用的材料与频谱。 光电半导体除了在光纤通信传输系统的应用外，光电半导体在照明方面的应用非常有前景。尤其在可见光发光范围，目前研究学者已成功地开发出光电半导体有绿光、黄光以及红光，其材料如三元的砷化铝镓 (四元的磷化铝镓铟 (合物材料等。而蓝紫光的部份就以三元的氮化铟镓 (料特别重要，主要是因为氮化铟镓与磷化铝镓铟化合物都属直接能隙，光电量子转换效率较佳，所以是属于高亮度的发光材料。 上述这两种材料可以完全包涵紫外线及所有可见光的 范围如图 示，图中的 产生蓝绿光至紫外领域的光线； 产生波长670 红光； 合应用于波长 780 光储存与光资讯处理； 合应用于波长 850 合应用于波长 980 光 合应用于波长 1300 1550 高速网际网路通信。 图 导体发光二极体的发展概况。 氮化铟镓与磷化铝镓铟 材料的发光波长以绿光，约 550 为分界，而这波长也刚好是人类眼睛最灵敏的绿光 。 所以我们大约可以分成长波长(波长大于 550 黄光、红光以四元化合物为主要发光材料，而短波长 (波长小于 550 绿光、蓝光到紫外线则必须依赖三元氮化镓材料。图 光强度是以爱迪生第一个灯泡为标准 的相对比值。我们可以由图得知，氮化铟镓与磷化铝镓铟材料的发光强度皆是爱迪生第一个灯泡的好几倍。因为这些材料是属于直接能隙材料、高亮度发光二极体，所以它们可以使用在室内与室外，如此有较广泛 的用途，如室内的照明、汽机车的煞车灯尾灯、街道上的广告电子显示看板和高速公路上的显示看板等。 目前发光二极体已具备红、绿、蓝三种基本色系，所以 光电半导体灯泡取代传统光源的速度会逐渐的加快。最明显的地方是交通号志灯，不仅在亮度上或用电方面皆比之前的传统光源亮且省电，可以大幅降低用电量，而且光电半导体灯泡的寿命约在数万小时以上，寿命比传统光源长，这可以省去交通号志维修 的成本。光电半导体灯泡也会逐渐的取代传统光源的照明设备，因为光电半导体灯泡的光电转换效率甚佳，和传统白炽灯泡相较， 5 W 功率的光电半导体灯 泡具有相当于 100 W 传统白炽灯泡之照明效果。由节约能源来说，光电半导体灯泡若能普遍使用，可以达到节约能源之效果，也是一项不折不扣的环保产品。 不仅如此， 现今多媒体系统中， 光碟资讯储存系统的需求因为影像资讯的品质愈来愈高，高解析、高画质，常需要较多的储存空间，所以往往一片光碟片不敷使用，而氮化镓材料的开发成功使得蓝光科技成为今日光碟机雷射读写头的宠儿。氮化镓材料除了在可见光之波段外，其发光波长还可以短至紫外光，现在利用氮化镓材料的紫光雷射，其波长为 405 三代 记忆体容量可扩充至 20 30 显示家庭剧院与网际网路社会的时代已来临了。今日很热的产品数位照相机， 因为受限于记忆体容量的限制，所以解析度往往欠佳，可以储存的照片张数不多，而第三代 出现，可以克服记忆体容量不足的窘境。我们知道早期的雷射读写头为红光，波长 780 说是第一代 碟，其影碟之资讯储存量不到 1 部好莱坞电影，需二张影碟片才得以储存。到 1997 年 11 月第二代 位影音光碟系统问世，则进一步采用 650 长读写头，因雷 射读写头的波长平方与资讯储存密度约成反比，波长愈短者，光碟资讯储存密度也愈高。除此之外，第二代 统使用双面、双层技术，使得储存容量可由 B 扩充至 17 然第二代 统才推出没多久，但第三代 经在量产了。 由此观之，氮化物蓝光科技之崛起，不但提高人们的生活享受也带给全球庞大的商机，从小至个人使用的灯泡照明，一般家庭用之多媒体数位影音光碟系统，到室外大型全彩色电子看板，甚至光纤网路效能的提升，都与氮化物材料息息相关，这也是全球光电半导体产业欣欣向荣、高速成长的主要原因之一。 化合物 化合物 半导体材料是由 族元素中的硼 (B)、铝 (镓 (铟 ( V A 族元素中的氮 (N)、磷 (P)、砷 (锑 (互化合而成。因此可能的二元 化合物 半导体材料共有十六种，但是 硼的四种化合物的熔点相当高，使得 制程 不易。铝的三种化合物比较不稳定， 室温下就会与空气中的水份发生反应而分解，所以对于这些材料的 研究与应用比较少。 目前在可见光区域的光电半导体材料中，是以氮化物，氮化铝镓铟（ 列材料、与磷化物，磷化铝镓铟 (大多数的研究人员所研究。其中蓝绿光材料主要以氮化铟镓半导体材料，红黄光材料是由磷化铝镓铟来主导地位。 氮化物发光二极体 光电半导体材料在发展的过程中，因为 氮化物刚发展时，就面临两大问题：无适合的基板与其匹配和 杂不易 ，所以发展脚步很缓慢。在 1983 年由 S. 人，第一个以蓝宝石 (为基板，来成长 氮化物，其优点为蓝宝石具有与纤锌矿 (构的氮化物相同的对称性、可长大直径材料、高温下稳定性好、很高的能带间隙值 ( 8.8 其穿透频谱从 145 直延伸到 5200 以对氮化物的发光波长而言，蓝宝石是一种不吸光的透明基板。但是蓝宝石不导电、解离困难、 晶格常数与氮化镓 ( 15%的差异而且热膨胀系数也相差较大，一般常使用蓝宝石的 C (1000) (2110) 图 异质蓝光发光二极体之结构图。 1989 年 I. 人第一个将镁 (杂在氮化镓中使其成长，成长后 再以电子束照射而得到 氮化镓。在 1991 年日本日亚 (司的 S. 以低温成长氮化镓在蓝宝石上，作为一缓冲层 (然后再以高温成长氮化镓，以此获得镜面般平坦的膜，还利用高温退火来活化镁 (氢 (H)赶走而完成 工作，其发光二极体结构如图 1。因为这两大问题的突破， 氮化物才得以被广泛的发展与应用。日亚公司在 1993 年成功的开发出光度为 1 烛光 (氮化镓蓝光发光二极体 ，其寿命可达数万小时。 图 量子井高亮度蓝紫光发光二极体之结构图。 1995 年 S. 人 2，利用量子井 (长出氮化铟镓 (图 发光效能比双异质结构制成者为佳 (图 这两种结构最主要的差别为活性层中厚的氮化铟镓 (图 量子井氮化铟镓 (取代，利用这种量子井，可以改变量子井氮化铟镓的铟浓度来得到不同的发光波长，可由紫光变化到绿光，而且发光功率也比较佳。但是不同颜色光的发光功率会有差别，因为当铟浓度增加时其氮化 铟镓材料会越不易制作，结晶较差，所以绿光的发光功率比蓝光的发光功率低。因为人类的眼睛对于不同颜色光的敏感不一样，其中以绿光最为敏感，所以即时绿光的发光功率比蓝光的发光功率低，但看起来绿光反而会比蓝光亮。表 1。以上是有关氮化物发光二极体的发展情形，接下来要谈氮化物雷射二极体的进展。 表 亚公司发光二极体之发展 日期 波长 (结构 光度(量子效率(%) 1991 430 0 1993 440 1994 380 1994 450 200 1994 500 000 995 500 000 995 450 525 QW/000 90 1995 405 QW/50 1995 450 QW/500 20 12000 氮化物雷射二极体 1996 年已经有很多人在研究氮化物雷射二极体可是大多是以光激发(系统，在同年 S. 人是第一个成功做出可以在室温操作的雷射二极体，但是需要很大的临界电压 (约2030 V，而造成元件产生大量的热，所以不容易得到连续性 (荡的雷射二极体，而是脉冲 (荡。我们可以由表 知 1，早期的雷射二极体是成长在蓝宝石的 3，其长晶的程 表 亚公司雷射二极体之发展 日期 基板 波长(量子井数 宽长 ( mm) 临界电流(kA/镜面制造 室温寿命 1996 17 26 30 1500 4 蚀刻 1996 0 20 1200 开 996 (111)10 20 20 500 8 抛光 996 (111)19 10 10 500 13 抛光 1996 10 60 3 劈开 1996 00 3 2 700 9 蚀刻 1 秒 1 1997 4 300 7 蚀刻 2040分钟 1 1997 4 550 刻 35 小时 1 997 4 300 刻 100 小时 1.5 997 4 450 刻 300 小时 2 1997 4 450 4 蚀刻 1150 小时 2 1997 4 450 4 蚀刻 3000 小时 2 550 3 10000 小时 1 序与成长发光二极体大致上相同，除了活性层使用多量子井 (约有二十几层。 因为蓝宝石的 为需使用蚀刻 (方法，所以会得到粗造的镜面，为了得到可以劈开 (镜面，所以他们有成长在 (111)面的尖晶石 (选择蓝宝石的 图 宝石基板上的雷射结构。 1997 年初， S. 人宣布可以在室温下运作连续性震荡的雷射二极体，而寿命为 1 秒，同年的 10 月 30 日再度发表可以在 50 C 下运作连续性震荡的雷射二极体，推测在室温下其寿命可达一万小时，其临界电压降到 左 右，而量子井数 减到只有三层到四层。日亚公司对于雷射主要有两个重要改进，第一是使用 的披覆层 (代替之前雷射结构单一层的披覆 层如图 4。因为使用调变掺杂 (以用来做高移动率 图 覆层成在蓝宝石 化镓基板上的雷射结构。 (料之用，如果一次长太厚会因晶格不匹配，产生过大的应力 而造成薄膜断裂 (所以藉由掺杂杂质的超晶格层，可以降低晶格不匹配所造成的应力与减少电流经过的电阻。 125 层 25 )/25 )与 125 层 25 )/25 )的披覆层，其 覆层中 镁 (杂 ， 无掺杂； 硅 (杂， 样无掺杂。如此一方面可以达到减少薄膜断裂，另一方面可以降低串联电阻，减小操 作电压，增加光子的局限。第二是使用 化镓基板如图 8，此基板可以减少穿透位错 (缺陷，而缺陷也比较能集中，由原本的缺陷 1091010 06107 是因为穿透位错缺 陷在二氧化硅 (方会被弯曲 (结晶表面可以减少穿透错位 图 化镓基板之截面图。 (b)为 (a)之示意图，如雷射成长在 缺陷上，雷射效能不佳。 的缺陷。做法 是先在蓝宝石的 2 的氮化镓缓冲层，然后长一层约 0.1 m 厚的二氧化硅后再蚀刻掉在氮化镓 (1100)的方向的二氧化硅，让二氧化硅形成宽 7 m，间距 4 m 之条纹 (然后再成长 10 m 厚的氮化镓形成一平坦的面，所以可以将雷射结构成长在缺陷较少的地方。 日亚公司的 S. 人成功的在蓝宝石基板上长出 化(a) (b) 镓，将穿透位错缺陷减少， 雷射之寿命可达一万小时。 1998 年 S. 图 化镓基板上成长雷射结构。 图 射在 20 C 及 3 所需的电流与雷射寿命图。曲线 (a)是雷射结构长在 10 m 厚 化镓和蓝宝石基板，曲线 (b)是雷射结构长在80 m 厚的 化镓基板。 等人继续研发 长晶技术，他们成长厚约 100 m 的 化 镓于蓝宝石基板上