铟镓砷磷InGaAsP半导体材料简介

光雷子孥期末幸艮告IntroductiontoInGaAsP

SemiconductorMaterials指^教股郭匏光(Yen-KuangKuo)教授孥生:蔡政剖I孥号虏:8522022系别:物理系班级:四年级乙班内容大^:（―）前言（二） 波畏簸圉典能隙（Eg）宽（三） 起振，条件典输出功率：（四） 各不重不同条奇啻的雷射（五） 先谁的半s^^rn及其性能（六） /思吾（七） 参考害目（一）、前言现在是资言麻寺代，舄了高速虚理资^社奢所捶有的雇大资料，利用光和雷子技彳标之光雷棠於焉^生JS用同^（coherence）光的工棠在1984年度（以光孥式影像檄舄中心）的生走规模舄6600彳意日元，到西元2000年，琪料将以光通^舄中心，生走规模也将成畏舄12兆日元。其裂品包括同^光通^系统、光IC（光雷子稹疆雷路，OEIC）光雷算檄等。光IC彳系将光典雷子的功能特性集稹在一片基板上，而以砷化金限家及磷砷化金肱家系半辱疆技彳标最舄先谁，其典化合物半辱疆IC同檬，有^琨的可能。光雷半辱疆材料之研究十分稹桎，已^宫受出砷化家、磷化制、砷化金吕家、磷砷化金用家等。至於光通^系统方面，典僖统的有富泉通^系统比重交起来，光^通^具有更交大的通^原宽，重交小的^号虎衰减，不受雷磁波干援，没有串音、保密性高、泉径小、重量^、可靠度高、、等僵黑占，因此可已知道随著资言九的暴涨，披高速大容量高品^的光^通言九系统毫照疑冏的将是未来资^僖遁的主流。而光^系统中最重要的^金建性元件就是它的光源，也就是雷射二桎疆，本文就是要介藉在光^系统中最常被使用的雷射：磷砷化制家（InGaAsP）的特性以及其御啻。（二）、波畏簸圉舆能隙（Eg）宽光^通言九中最常使用的波畏舄1.3以及1.55微米，主要是由於光在石英光^中的僖输授失在是丽固波畏最低，在1.3微米虚约0.6dB/km，而在1.55微米虚约0.2dB/km。在光^中，由於材料色散的富彖故，不同波畏的光在光^中有不同的色散，因而僖输速率的不同，奢造成^号虎的波形燮形，而限制了僖输的距离隹。波畏於1.3微米附近的色散是零，因此虽隹然其授失比1.55微米畤大，但仍然最常用来富作短距离隹光^通^的光源。在光^通^所使用的畏波畏簸圉内，最常用InP舄基板材料。舄了能典InP的晶格常敷（a=5.87埃）相匹配，必御使用四元化合物InGaAsP。富晶格典InP相匹配畤（y=2.2x），其能隙Eg（罩位是eV）的燮化舄Eg=1.35-0.72y+0.12y2刖我仍由公式：人=124可知由0.92到1.65微米的整固波«®S均Eg被此不重材料系统所涵盍。圄固酬系式如H(-)所示(其中Eg以雷子伏特eV舄罩位，波畏以微米m舄罩位)InGaAsPm舄罩位)InGaAsP四元化合物之畿光波辰舆鲍成之^系H1.81.61.41.2波辰(微米)10.80.60.40.2000.2 0.4 0.6 0.8y11.2(H—)至於在活性1W旁的光偏限屑材料，通常圄睾其鲍成的能隙比活性屑大大约200meV的材料舄主。至於在材料的裂造方面，在1970年首次用LPE法成畏，现在已经逐衡的舄有檄金屠标相沈稹法(Metal-orgainChemicalVaporDepositionMOCVD)所取代，而分子束磊晶成畏法(MolecularBeam印itaxyMBE)也渐渐被大家所使用。起振徐件舆翰出功率：虽隹然富有雷流注入半辱疆雷射畤奢立即走生受激放射，但必0真在雷流超遏某一晦界值畤雷射才能放出光，是一晦界雷流稀舄起振雷流。典型的雷射光输出功率和雷流的鼎初系舄：富输入的雷流由零逐渐增加畤，光输出功率起初增加十分^慢且微弱，此畤所宫受出的光屠於自宫堂放射。富输入的雷流德御曾加到晦界亶流寺，光的输出功率便^始急速的增加，^始走生雷射光，也就是受激放射。是是因舄富有雷流^到某一定值畤，有足豹多的雷子注入SS^，因而使得半S疆^到光透明的状〉兄，也就是^到居量反^的，条件。富S流再别隧^的增加，刖DH条奇啻的活性匾域出现光增益，可表示舄g=A（N-N0）其中A=dN舄微分增益，N舄注入雷子密度，而N0舄^到光透明所需要的雷子密度。A典N0BW®>®均是材料常敷，由能带条胡啻所决定。在InGaAsPDH雷射中，A的值矣勺舄1.2〜2.5x10-16cm2,而No的值大矣勺舄0.9〜1.5x1018cm-3，其敷值依照雷射波畏典参雅澧度而定。利用在非常薄的活性屑中之量子倨限作用，我仍可以藉著改燮能带条胡啻而使A值燮的更大，同畤No燮小，以增大光增益。在Fabry-Perot半辱疆雷射中，利用自然彦斤裂面形成共振腔，是是由於半辱疆材料的折射率很大，以InGaAsP雷射而言，其折射率n=3.5，可以在雷射端面造成约30%的反射率，刖我仍可以推辱出输出光的功率典雷流的酬系舄P二门d（虹）h-I]0 2qth其中门舄微分量子效率（或外在量子效率），舄光子逃逸速率典光子走生速率的比值，v舄光原率，而I仇舄起振雷流，由此式可已知道，富雷流超遏起振匾域畤，门典输出光举寸雷流燮化曲富泉的斜率成正比富雷流在起振雷流附近畤，门舄一定值且随著雷流增大引起的熟效雁而减小，（圜二）是一彳固典型的1.3微米DoubleChannelPlanarHeterostructure（DCPBH）雷射在不同温度畤的输出光举惬流燮化的特性曲泉。是元件可以直流速阊剥乍至撮氏130度，在室温畤的起振雷流约舄10-15mA之虱各*重不同结情的雷射(1)FabryPerot半辱疆雷射在此重雷射中，活性屑形成一彳固光波S1,S子典雷洞在其中^合而彳定波辱方向宫堂光，左右丽遑的端面依照晶疆特定方向劈^形成争竟面，典光波辱屑形成共振器，光在光波辱屑中来回震谡，放大，因而射出雷射光。以InGaAsP雷射而言大约可以分成三重：1、增益波辱型雷射(Gain-guidedLaser)最典型之增益波辱型雷射^BM接蠲(ContactStripe)雷射，截面如圜三(a)所示，使用SiO2或Si3N4潘彖膜限制雷流只能流备倒条M接蠲匾域。圜三(b)舄以^子撞擎(ProtonBonbardment)法将P倨限屑撞擎成半潘彖，结果雷流亦只能彳定中冏匾域流®,H三(c)刖以Zn撅散法，使雷流集中彳定撅散匾域通遏。以上是些不啻造之活性屑均舄平面且速^的，因此不^是截子或光的倨限效果均更交差，因此Ith更交高(100—150mA)，量子效率更交低，且^向模LongitudinalMode)更交多，由於光^之色散，使得敷掬我俞之速率降低。

(b)ProtonBonbarded(d)Self-AlignedStructureSubstrate(n-GaAs)ElectrodeElectrodeContactLayer{p-GaAs)BlockingLayer(n-GaAs)CladdingLayer(p-ln(GaAl)ActiveLayer(InGaP)Claddinglayer(n-ln(CaAi)I(b)ProtonBonbarded(d)Self-AlignedStructureSubstrate(n-GaAs)ElectrodeElectrodeContactLayer{p-GaAs)BlockingLayer(n-GaAs)CladdingLayer(p-ln(GaAl)ActiveLayer(InGaP)Claddinglayer(n-ln(CaAi)I圜(三)各不重不同InGaAsP增益波辱雷射条奇啻(a)舄氧化BM(b)^g子布值(c)，条状条胡啻(d)自勤定位2、弱折射率波辱型雷射(WeaklyIndex-guidedLaser)由於增益波s^rn在活性屑面上之效折射率差，彳系由雷流截子密度分怖而生，只有约5x10-3，相富微弱，使得光雷特性欠佳。圜(四)所示舄畿不重InGaAsP雷射筒罩之折射率波^(WeaklyIndexGuide)御啻之^剖面示意圜，圜十一(a)不啻舄脊3犬波(RidgeWaveguide)条奇啻，雷流富然4堇彳定介*5S(SiO2或Si3N4)所界定匾域通遏同畤脊状丽侧介5^提供部份有效之折射率波SoH+-(d)所示^Wffi^^M波S(RibWaveguide),渚槽丽侧之材料不同而走生折射波SoBws^rn之有效折射率波^约1x10-2，因此晦限5流可降至40—80mAo

p*InGaAsP£#//////n-InpInGaAsP(Active)n-Inp(Substrate)/p-InP,(a)RidgeWaveguideInGaAsP(Waveguide)Dielectric(b)TerracedSubstrate(TS)p-InGaAsPp*InGaAsP£#//////n-InpInGaAsP(Active)n-Inp(Substrate)/p-InP,(a)RidgeWaveguideInGaAsP(Waveguide)Dielectric(b)TerracedSubstrate(TS)p-InGaAsPp-InP r~InGaAsP/(Active) u 1 ——*n-InGaAsP(Waveguide)n-InP(Substrate)(c)ChanneledSubstratePlanarWaveguide(CSP)p-InGaAsP p-lnPT. LInGaAsPn-InP 一(Substrate) 费胄(d)RibWaveguide圜四各不重不同的弱折射率波辱型雷射(a)脊状波S(b)l®式基板(c)通道凹渚基板平面波辱(d)凹型波S3、弓鱼折射率波辱型(StronglyIndexGuided)圜五所示舄翔重InGaAsP雷射更交常用之弓鱼折射率波辱(StronglyIndexGuide*奇啻雷射之箭企剖面圜，例如(b)H^mffi^埋藏式平面燮槽Sg^W(Double-ChannelPlanarBuriedHeterostructure;DCPBH)o^些条吉W之活性屑四通均被能隙重交高、折射率物氐之材料所包圉，加上内建之雷流限流凰因此照^是截子或光的倨限效果均甚佳，晦限雷流可低至10—15mA，同畤量子效率也更交高，侧模亦更交少。但是不重雷射结W需要多次磊晶步骤，所以在裂作上更交舄困雉。

n-InP(Substrate)Heterostructure(a)Etched-mesaBuriedHeterostructuren-InP(Substrate)Heterostructure(a)Etched-mesaBuriedHeterostructure圜五各不重不同的弓鱼折射波辱型雷射条胡啻(a)会虫刻高羞掩埋式燮巽^条胡啻(b)燮通道平面掩埋式ttSg^^(c)平面掩埋式«sg^^(d)BM掩埋式燮巽^条胡啻(2)罩模熊半辱疆雷射富已上所介藉的FP半辱疆雷射在高速僖输^燮畤，其^向便奢燮成多模熊，是些多模熊的出现因舄光^色散奢限制很多S^SM，降低了光^的原宽。因此，我仍在高速SM畤便需要一彳固非常穗定的^向罩熊模的半辱疆雷射，也就是^是固雷射只有一固原率，特别在波畏1.55微米的光^通^SM系统更是迫切需要。遏去利用了编短雷射共振腔畏度劈分耦合式共振腔(CleavedCoupledCavities,C3)以及附加短耦合式共振腔等方式，研裂能罩原操作的元件，短共振腔雷射工作原理是利用拉大的光模熊冏格，加大其增益值差距，而耦合式共振腔是利用多腔光互相干涉的效果，走生典原率有鼎冒的授耗。然而是些元件封於早期^葡食系统虽隹然是有用的^葡食室走物，但要把他仍商棠化碓是很困雉的。

一直到dfb雷射研saa些冏题才解决。僖统fp雷射其光回^(feedback)，是藉著争竟面反射，其大小举寸^向每彳固模熊都是相同的，而其模熊差巽是由於雷射本身的增益分怖来决定的，但是由於增益分怖位常比箭企向模熊宽度大，所以模熊大小彼此差巽不^著。解决之道就是裂造一固以原率舄依存的回会算致使举寸不同的模熊其在共振腔的授失也不同，目前有丽不重在使用：(1)分彳布回^型(DistributedFeedback,DFB)以及(2)耦合共振器型(Coupledcavity)oDFB雷射其回^亚非藉由共振器的丽争竟面而已，而是分怖在整固共振器畏，所以需要裂造出一固光栅使某屑厚度沿著共振器而有遇期性的燮化，在固定的波畏下，只要做出合^的遇期，即可做出有用的DFB雷射。圜六是而重符合布拉格育凳射的雷射御啻，即是DFB和DBR雷射(DistributedBraggReflector),而丽者不同之虚在於，DFB光栅是做在鄢近活性屑的波S1S,如果是DBR雷射，光栅是做在沿著共振腔方向的活性屑外鄢。DFBLASER使共振腔内的各不重来回光波互相耦合。最接近Bragg波畏的光波相耦合效雁最弓虱在一固没有尾端争竟面反射的理想条胡啻下，箭企向模熊以舄中心，成一等距离隹分怖光言普，其波ft^：",土］SW：冗B2-L g 」其中m是模熊陪敷(m=0,1・・).，Le是等效光栅畏度。因舄光栅造成的遇期性折射率燮化，走生光波的抑止带(StopBand)，而在此抑止带内的光波其通遏光栅匾域的檄率是零。因而在此抑止带内者反射是最大的。通常只有最低陪模熊(m=0)的丽侗光模熊在此抑止带内，而只有是丽不重光波能豹走生振谡。由於幻胡啻的举朴期性，是丽彳固最低陪模熊的光模熊具有相等的起振增益，因而可同畤走生雷射。但是，^8祭上由於随檄的劈面裂程造成不同的尾端反射相位，因此自勤去除了另一具有重交小增益的光模熊，而獴得了罩模熊操作特性。已有«^^果^登^：在DFB雷射的光ffl^m中造成相位偏移，可以得到很穗定的罩原雷射。圜七(a)是是一固宫堂光波艮约1.55微米，InGaAsP的材料，具有四分之一波畏相位移DFB雷射在超起振激射黑占的光输出步院眷它的遑磨厘抑比大於40dB。圜七(b)是它的雷流略低於起振激射黑占的宫堂光步院普，可以清楚的分辨出抑止带的丽才重光波先逵的半辱髓结情及其性能(1)多量子井雷射(MQW)在1.3及1.5波ft®S的InGaAs/InGaAsP材料多重量子井雷射(MQW)已有^著的谁展。典型的MQW晶膜条奇啻示於圜八。在圜八(a)中，多重量子井晶膜是夹在InP倨限屑不啻成的波Sl^m中。圜八(b)表示一侗分别倨限式(Separateconfinement)巽^御啻多重量子井(SCH-MQW)能带圜。四彳固GalnAs量子井及GaInAsP井障l被夹在InP晶膜l之中而典之形成有一突燮折射率的波s御啻。圜八©表示一固折射率分另雁限式巽髯吉m(graded-indexseparateconfinementheterostructure,GRIN-SCH),其中残斤燮式折射率燮化的波S御啻是经由多段陪梯式微小增加能隙的多1偏限晶膜im成因舄GRIN-SCH御啻能豹比SCH御啻更有效地偏限截子及光波，^致有更交低的起振雷流密度。举寸於光波畏约1.5微米的雷射，起振雷流密度已可降至450A/cm2o»ffl^m的元件亦^示有低的波S授耗，因此可以做成更交畏的共振腔，使得有更交高功率输出及更交窄富泉宽。例如，1.55mm或是更畏的共振腔，雷射光输出功率可^190mW，而泉宽在4mW畤是250KHz(即1MHZ.mW)。在可靠度方面，已可做出在5mW，室温操作下劣化速度约7x10-6/hour的元件；此特性削鄢布的DH雷射制生相近。(C) 圜八(2)雁力屑雷射(Strained-Layer)MQW雷射有人提出成畏在InP的InxGa1,As系列材料在凰编雁力下(x>0.53)奢改燮僵带幻胡啻，而且辱带的不速^值奢增加。在有足豹大的雁力加入畤，僵制真端是^雷洞性^的，而且典低屑的僵带分li^So^低的有效雷洞^量降低了居量反W(Populationinversion)所需的截子数目。更有甚者，各雷洞僵带的分^有效地减少了非放光的Auger^合^程以及内僵带相互冏的吸收效雁。举寸於1.5微米波畏雁力屑多重量子井雷射而言，是些效雁结合了因辱带不速^值增加而减少之巽^井障漏雷流(heterobarrierleakage)，将奢降低起振雷流，改善效率及特徵温度T。虽隹然比起照雁力MQW雷射，雁力屑MQW雷射在特性上亚没有很累页著的改善，它仍仍然比照雁力者好一黑占或至少是一檬好。1.55微米的In08Ga02As雁力屑MQW雷射，最佳的起振雷流密度是319A/cm2。上述相似的结篱其中活性屑是用20埃的量子井及200埃的井障屑。它的起振雷流密度是550A/cm2o40微米畏的共振腔及丽端面做高反射(98%谶膜的雷射，可以降低起振雷流至0.98mA，。另一方面，已有人做出元件其量子效率高^82%，而To值97Ko500微米畏的共振腔及劈面做高低反

射^膜(98-4%)的雁力屑MQW雷射御啻，输出功率^到120mW。在一固1500