AlGaInP红光半导体材料的介绍

1、題目: AlGalnP紅光半導體材的介紹教授：郭艷光師學號8522055姓名：許玉晶Introdu ction在整個射發展的域當中，從最早的氣態射、液能射、固態 射到現在的半導體射，我們可以感受的到，半導體射已漸漸地闖 出屬於它自己的一片天空，因為它但具有體積小的優點，且材 貴、損耗的功低、可調的射光的頻及高的穩定性。而其中 又以紅光半導體射發展得最為成功及廣泛。在半導體射開始崛起以後 ，已經有許多的物質成功地被研究出能發出紅光。而這其中又以AlInGaP最具代表性，因為它能在室溫底下發出波長為0.6 m的紅光射且是為續波 (cw)，此外，它具有很大的 直接價帶能 (direct energy

2、 band-gap)，還有GaAs這個導體材能與 它有很好的晶格匹配，而可以作為半導體元件的基板及接合層，讓它夠順地形成雙質結構。如圖一所示。p-electrodep-GaAsp-InGaAlPInGaP 4p-GaAsp-InGaAlPInGaP 4:n-InGaAlPn-GaAs n-electrode(Cap)Cladding layer) (Active layer)Cladding layer)(Substrate)圖一 AlInGaP 之雙質結構它的發光原是：用加順向電壓在元件端，使元件產生由p極指向 n 極的電場，將 cladding layer 中的電及電子趕到中間的活性層，

3、當導電帶的電子往下跳至價電帶後，與電結合形成電子電對後， 會以光子的形式釋放出能，這就是我們所看到的射光。其在日常生活中最常的運用有：寫入和取 DVD、發光二極體(LED)、射筆( laser pointer) 等等。二 、 InG aA lP 雙 質 結 構 的 特 性物質 任何一個物質系統皆具有許多的特性，我們用許多的符號及代 表它，稱之為物質 。半導體也外 ，它也具有許多的物質， 這在設計半導體射裝置時，為我們提供少的。而 AlInGaP 這個材它較常用的物質有：band-gap energy、band offset、refractive index等。band-gap energy指的

4、是活性介質射上能階(導 電帶)至射下能階(價電帶)的能差；band offset指的是活性介質與P極(或n極)的導電帶(或價電帶)之能差，如圖二所示， refractive index指 的則是AlInGaP對各個頻光的折射。4 Band offsetEnergy band-gap Band offsetcladding : active： cladding圖二 Band diagram for AlGaInP double heterostructureEnergy band-gapAlInGaP它真正的表示式應為(Al Ga ) In P。有研究指出，AlInGaPx 1-x 0.5 0.

5、5的 energy band-gap 會與 Al 成份的多寡有關，即 Al 愈多， energy band-gap 愈大， Al 愈少， energy band-gap 愈小。這是因為 Al 是在週 期表皿A族中是位於較上方的，為較小的原子，能與P形成較強的化。這也就是圖一之結(1)學鍵，這就使得它們的 energy band-gap 。這也就是圖一之結(1)E = 1.9 + 0.6x (eV)g將E對x作圖後，其結果如圖三。g從圖三我們能很容看出並加以驗証學式中係，A就是 Al 愈多， energy band-gap 愈大。從圖三我們能很容看出並加以驗証學式中係，A就是 Al 愈多， en

6、ergy band-gap 愈大。E _ he = 1240 (eV - nm) ghc九九(nm)Eg與x之間的線性關代回(1)九二 124 (nm)(2)1.9 + 0.6 x將九對x作圖，其結果如圖四。E gE g圖三 energy band-gap 與 Al 的組成 x 之關係圖YY匸呂匸寄希5因為在實際生活中，知道鋁的組成比就能知道其發光波長，往往 比知道其價帶能要得方許多，所以在這將 E -X之關係圖延g伸為九-X之關係圖以供考。從圖中很明顯可以看出， Al的組成成 份x愈高，所激發出的射光波長就愈短，也就是其能愈大。且 從圖中還可以看到 AlInGaP 所能放射出的射波長最長約

7、650nm (InGaP)，最短約為 495nm (AlGaP)。一般用取 DVD最常的波長約為 630nm，從圖上我們並難看 出其對應到的x直約為0.04，也就是由(Al0.04Ga0.96)0.5In0.5P這個材 所激發出的射光，所做出的運用。而一般用寫入 DVD的波長約為680nm，但是從圖中只能看到InGaP 這個材可以發出的最長波長為 650nm的射，卻找到可以發出波長為680nm的射的材。這是因為式(1)中所描述的，是AlInGaP在自然長晶(Random Alloy)的情況下所具有的能帶間隙特性，過 如果我們特別看 InGaP這個物質的話，我們會發現，當InGaP它是 以 Ga

8、P-InP 一層一層有次序的薄膜 ( Ordered GalnP)以超晶格的方式 長上 的時候，其 energy band-gap就會變小，約為1.84eV，代回式計算一下，可以得到波長約為 680nm的射光，也就是寫入 DVD所需要的波長。由以上所述，InGaP的能帶間隙會與本身的 原子排有關係，過呢，這個情形在 AlInP並會發生。因此，我 們可以知道，雖然寫入和取 DVD的射光，同樣為 AlInGaP這個 物質，但是在其原子成份比上或原子的排方式上，是具有 很大的差的。Gain-Current Characteristics大部份的半導體材其增g與入射電電密 J之間，皆存有近似線性的關係

9、，即外加電愈大，趨使的電子電也就愈多，增就愈 大。AlInGaP也外，它同樣具有這個特性，其學關係式可表示 為：g=( 丄A0)(3)id 0n I : internal efficiency below the thresholdd： the thickness of the active layerB、 A0 ： coefficients有人已用實驗測出、A0會與溫有關係，其實驗結果如下圖五。從圖中我們可以很清楚地看到，會隨著溫的升高而下，A0則會隨著溫的上升而上升，將這個觀察結果與式(2)相對照一下，可以看出增 g是會隨著溫的升高而下的。Effect of Carrier Overflo

10、w在AlInGaP的雙質結構中，常常會因為活性層的導電帶(價帶)與 p、n極的導電帶(價帶)能差太小 ，而導致載子溢(carrier overflow) 的情形，如圖所示。當元件在運作，而有載子溢的情形發生時， 會讓元件產生許多必要的熱功，使得整個元件的溫往上升， 但容燒壞元件，會使得增低，所以我們會儘避免有載子 溢的情況發生。此外，當我們想要此射能發出較短波長的光時，就必須讓活性層的 energy band-gap ( E act)大一 點才可以，但是這會使得圖中活性層與p g極的導電帶能差變小，這就容造成載子溢的發生。所以， 載子溢是限制 AlInGaP往短波長發展的一項重要因素。 幸好，

11、有人發現載子溢的情形可以藉著在 p極中滲進很濃的電而 加以改善，其經由計算而加以模凝的結果如圖七所示：98 7 6 5 4 3 EnE02)498 7 6 5 4 3 EnE02)42 lj1-100-50050100Tempe r a tur e T (C)圖五Measured coefficient as a function of temperature圖 Band diagram for AlGaInP double heterostructureband diagrams and carrier distributions, (a)圖七 Calculated examples of

12、the band diagrams and carrier distribution.(a)p=lxl0i7cm-3 , (b)p=lxl0i8cm-3在圖七的能帶圖中，Ec與Ev為導電帶與價帶，Efn與Efp為quasi-Fermi level ；而在載子分布圖中，實線代表電子虛線代表電。從圖中我 們可以看出, 當 n極摻的電子濃維持-定，而p極摻的電濃較高時， p 極的導電帶與價帶的能會整個往上提升，如此一 ，活性層導電帶中的電子在面對較高的能差之情形下，容 往 p 極的高能階升爬，也就容往 p 極跑。由以上可知，當 p 極 摻有較大的電濃時，較容有載子溢的情形發生。I-V 特性 在 Al

13、GaInP/GaAs 這個雙質結構系統中 ，具有一個特性，即 AlGaInP 與 GaAs 之間的價帶能差非常大，如圖八所示。從圖中可看出，這 樣大的能差對入射電而言，就好像碰到一面牆壁一樣，使得入射 電無法通過，而必須要有足夠大的電壓(稱 voltage drop )，才能有 電通過，如此一，要入射電達到能產生射光的界1/1/K1Eg11EcEvn-AlGalnP ： active : p-AlGalnP : p-GaAsII丄I圖八 Band diagram for AlGaInP/GaAs電時 ，需要很大的電壓 ，這在實際的運作上，並符合經濟效應； 而又因為 GaAs 對於 AlGaIn

14、P 射而言，是一個很好的基板或接合層 材質，所以我們能使用它，必須想辦法改善這個缺點。要改 善這個缺點有三個方法： 第一，減低p-AlGalnP中Al的含。就如同前面所述當Al愈少，p-AlGaInP的Eg就會愈小，p-AlGaInP 與 p-GaAs 間價帶的能差就會愈小，就能減低 voltage drop 的值。 但是這樣子的作法會容有載子溢的情形發生。第二，在 p-AlGaInP 中摻進很高的電濃。誠如之前所提，當p-AlGaInP具有較高的電濃時，其導電帶與價 帶的能會整個往上提升，p-AlGaInP與p-GaAs之間價帶的能差 就能減小，也就能低 voltage drop 的值 。其

15、實驗結果如圖九所示， 圖中虛線所代表的是計算值，實線所代表的是實驗結果。從圖中我們 可以看到，I-V特性線的voltage drop直但會隨著電濃的提高 而減小，還具有較陡的特性，也就是在同樣的電壓之下，它會出較 大的電，因此，在 p-AlGaInP中摻進很高的電濃是提升經濟效 應一項很好的方法。第三，在p-AlGaInP與p-GaAs之間加進一層p-GaInP 由於 p-GaInP 的 energy band-gap 比 p-AlGaInP 小，也就是它會介於 p-AlGaInP 與 p-GaAs 之間。其道就好比我們在爬梯，是一次爬 一個階梯比較輕鬆呢，還是一次爬二個階梯比較輕鬆？相信大家

16、會 覺得是-次爬-個階梯比較輕鬆。這也就是為麼在 p-AlGaInP與 p-GaAs之間加進一層p-GaInP能減小voltage drop的直的原因 其 實驗結果如圖十所示。Voltage (V)圖九 Dependence of the current density vs. voltage characteristics on acceptor concentration in the AlGaInP layer.108(b)62(b)InGaPFIGURE 6.6. Comparison of the current density structuresvsvoltage charact

17、eristics for two kinds of01234Voltage (V)108(b)62(b)InGaPFIGURE 6.6. Comparison of the current density structuresvsvoltage characteristics for two kinds of01234Voltage (V)p-lnGaPInGaPp-GaAs p-nGaAIPn-lnGaAIP n-GaAsp-GaAs QinGaAlP n-lnGaAlP n-GaAs圖十 Comparison of the current density vs. voltage chara

18、cteristics for two kinds of structuresOhmic characteristics另外，AlGalnP/GaAs它還有一項特性會跟p-AlGalnP中電的濃有關，即歐姆特性(Ohmic characteristics)。圖十一為 p-AlGaInP/p-GaAs 此質結構中 ，當 p-GaAs的電濃維持在 5x1018cm-3，而p-AlGaInP 的電浻濃分別為 5xl0i7cm-3與ixl0i7cm-3的I-V特性及其微分後的 電阻特性之計算結果。and the differential resistance characteristics for a

19、p-AlGaInP/p-GaAsheterojunction.從圖中我們可以看到，當p-AlGalnP所摻進去 的電濃較高時，其 電阻較小，反之則較大。而在實際的材設計上，一般人皆會選用電 阻較小的情況，這是因為電阻太大的話，一會由於I2R 項而產生熱，讓元件的溫升高，使得射的增低，或甚至燒壞元件；二會由於 I=V項，當R愈大，要產生同樣到達增的界電所需R的電壓就愈大，這使得元件在實際運作上的效低，所以一般而 言，會較喜歡用電阻小的情況。Gain-Guided Mode 當入射光經一個很窄的狹縫時，會有繞射現象的產生，這讓半導體 射的運作上出現瑕疪 。由於半導體射的發光區域為夾在中間那層 很薄

20、的活性層，光從共振腔中發射出經過那道很窄的區域時，會 產生繞射，這使得發射出的射光會是一個直的橢圓，而非一個 漂的圓。為改善這個缺點，有人想到用增模式(Gain-Guided Mode)解決。Wp-GaAsII如圖十二所示，我們將原本整層接在p極上的電極寬縮小，即將它 變為一長條的形 ，此時經整個元件的電就會像之前的結構一 樣是-整片，而是慢慢地擴散到nWp-GaAsIIp-electrode 斗p-AlGaInPGalnP 再 TOC o 1-5 h z !、 GalnP 再1n-AlGalnP41n-GaAsn-electrode圖十二 Gain-Guided Semiconductor

21、Laser for AlGaInPThermal Effects on the Device CharacteristicsAlGalnP它具有較大的熱電阻係(Thermal resistivity)，這對於裝置 在操作上會造成明顯的影響，也就是會使活性層產生溫變化，而導 致界電值的斷增加。因此，為要減少裝置的溫變化，我們 需要好好地設計， cladding layerd 的厚、共拫腔的長及散熱板 的選用。圖十三為活性層在射光要產生的界拫盪時的溫變化T與cladding layer 高 H 間的關係之計算結果。且此計算所依據之AlGalnP為一增 導向 (gain-guided)的結構，如圖十

22、二 所示。 從圖十三中，我們可以大約看出，AT會隨著H的增加而跟著增加。 這是因為當H增加時，由R=p2式可知，cladding layer的熱電阻也AA就跟著增加，這就使得cladding layer有多 此有溫愈往上升的變化。0.52 0H (/xm)0.50.52 0H (/xm)Cladding layer thickness圖十三 Calculated example of the temperature rise in the active layer, at theoscillation threshold, as a function of cladding layer thi

23、ckness H.厚很薄時，AToscillation threshold, as a function of cladding layer thickness H.厚很薄時，AT直會劇增，這是因為當cladding layer長得太薄時， 射共振腔橫向模式在 cladding layer 上損失的比會比較高，如此 一， cladding layer 容吸收掉這些損失，而放出熱，這就產生圖 形上出現的結果。 由於活性層的溫往高溫變化時，會引起界電的增加，又它會受 cladding layer厚的影響，所以我們在設計半導體元件時，選擇想 的 cladding layer 厚直時，應選擇如圖中所示

24、，能使得 AT 呈現最小 的直。特別是當我們想讓此元件以高功運作時，是要注意這一 點。此外，AlGalnP的熱電阻直也會跟p-極的電極寬，即圖十二中的 W有關係。圖十四為 AlGalnP (junction-side-down configuration)熱電圖中的熱電阻直是根據活性層、cladding layers、基板及接合層所散發 出的熱而加以計算的。從圖中我們可以看到， AlGaInP 的熱電阻直 會與W的倒及射腔長 L的倒約呈正比的關係，但並完全， 也就是在W直較小的地方，其斜較小。這是因為當 W 較小時，活 性層所衍生的熱在傳導到接合層之前，可以藉由基板傳導到散熱板 上。三、高功

25、操作 (HIGH-POWER OPERATION)在許多同的半導體射應用上，皆需要較高功的射，特別是在 光碟系統中。要獲得一具高功的半導體射，一個很簡單也很在效 的方法是，將活性層的厚長薄一點。但它容引起從活性層到 p-cladding layer 間的載子溢，這是由於要讓射產生射振盪所需 之載子濃增加。此外，我們還可以用圖十二中所示之增 模式，讓同樣的入射電，集中在小的發光區域內，就可以增 加射光的功。四、短波長操作(SHORT-WAVELENGTH OPERATION ) 短波長的射即為能較大的射 ，要讓半導體射發出較短波長的 射光 ，就必須想辦法讓負責發光的活性層 energy band

26、-gap 大一點， 基於這個原則之下，最簡單的方法就是，增加活性層材中鋁的比 ；但是當活性層的 energy band-gap 變大之後，其與 cladding layers 間的能差就會變小，這就很容造成前所提的載子溢的情況，而 使得溫特性化。因此如果我們想要射光波長短一點，所要面 的問題是減低載子溢的影響。因此，為要改善 AlGaInP 短波長運作的想，有許多的方法正被 發展當中。其中，在p-cladding layer中摻進很濃的電已經經由實驗 加以確定，能有效地防止載子溢的情況發生，就如同前面所述。另 外，使用 off-angle substrate 和 multiquantum barrier ( MQB )結構也能 有效減小載子溢的情形；另外，使用子井( multiquantum well) 和 strained active layer 能低界電，也是短波長運作所需要的結 構。五、結AlGaInP 紅光半導體射的發展，迄今已經是非常的成熟及廣泛。尤 於它在先天上有很好的晶格相匹配的條件，並能發出可的紅光，此 外，雖然它仍具有許多的缺憾，如： band offset 太小而有載子溢 的情形發生、但