Transcript 半導體雷射技術 盧延昌、王興宗 著 1

半導體雷射技術
盧延昌、王興宗 著
1
長波長垂直共振腔面射型雷射
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半導體VCSEL 具有圓型的雷射光點、低發散角、
低閾值電流、高調變速度與頻寬和方便的晶片上
即時測試等優點，因此為理想的光纖通訊光源。
而在長距離的光纖通訊系統中，其光纖材料一般
使用石英光纖(silica fiber)，這是由於石英光纖在
長波長紅外光範圍時具有最低的色散(dispersion)
與最小的光學損耗(loss)，其所對應的波長分別是
1.3 與1.55μm，如圖4-14 所示。
長距離的光纖通訊對於訊號在光纖中傳遞的損失
必須列為重要的考量之一，由圖4-14(a)中可以觀
察到，石英光纖內的光損耗主要是由紅外線吸收
以及Rayleigh 散射這兩個機制所造成。
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當傳輸的光波長為1.3 以及1.55μm 時，會有一個
較低的損耗窗口，特別是在傳輸波長為1.55μm 時，
其損耗將低至每公里0.2 dB。
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因此，在長波長光纖通訊傳輸光源波長的選擇上，
1.3μm 以及1.55μm便是相當重要的光源。
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除了探討光在光纖傳遞中的損失外，保持訊號
波形的完整性也是另一個必須考量的重要因素。
圖4-14(b)為在石英光纖中，材料色散係數對波
長的關係圖。
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從圖中可以知道在石英光纖內，不同波長的光
在其中傳遞會有不同的色散程度，若色散程度
過大的話，會容易造成傳輸訊號的波形變形，
因而限制了傳輸的距離。圖4-14(b)顯示當傳輸
波長在1.3μm 附近時，其材料色散係數值為零。
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因此，雖然從前面光損耗的分析中我們可以知
道，傳輸波長為1.3μm 的損失值比1.55μm 來得
大，但由於其色散程度最低，訊號的波形在經
過長距離的傳遞後最容易保持其完整性，因此
仍然被普遍用來當作中長程光纖通訊的傳輸波
長。
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以GaAs 為材料系統的短波長
VCSEL(0.78~0.98μm)已經發展的相當成熟， 並
且已有許多商品化的產品出現。然而操作在長
波長的VCSEL(1.3~1.55μm)，其發展相較於
GaAs 為材料的VCSEL 緩慢許多，即使第一個
VCSEL(~1.3μm)已在1979 年成功在低溫下實現，
但是在低溫下操作的元件很難達到商品化。
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其中導致發展緩慢的重要因素即為長波長DBR
的製作困難以及在高溫下量子井主動區增益不
足的現象，除此之外，長波長DBR 材料無法利
用自然氧化的方式製作光與電流的侷限，以及
長波長材料系統的導熱較差等，都是讓長波長
VCSEL 發展緩慢的重要因素。
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一般而言，長波長VCSEL 主要成長於InP 基板
上，然而晶格匹配於InP 基板的InGaAsP 主動層
材料系統卻因為嚴重的Auger 非輻射復合效應
導致相當低的材料增益。此外，晶格匹配於InP
基板長波長DBR 材料系統。
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如InP / InGaAsP 與InAlAs / InGaAlAs 只能提供
相對小的折射率差異，這也讓長波長的DBR 必
須成長相當高的對數才能達到高反射率的需求，
在這樣的DBR材料系統下除了大的穿透深度會
導致光的吸收外，對於熱的逸散亦是一大問題。
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因此，對於長波長VCSEL 而言如何製作高增益
的主動區材料、高反射率的DBR 與設計高散熱
性的元件結構都是發展長波長VCSEL 的問題與
挑戰。
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現今主要應用於長波長VCSEL 的元件結構主要
可以區分為下以三種：
(1)使用介質材料作為上下DBR 的etched-well
VCSEL 結構。
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(2)利用介質材料與半導體製作上下DBR，並配
合環狀電極的VCSEL 結構。
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(3)利用磊晶的方式製作完成VCSEL 結構。
圖4-15 (a)使用介質材料作為上下DBR 的etched-well VCSEL 結構。
圖4-15 (b)利用介質材料與半導體製作上下DBR，
並配合環狀電極的VCSEL 結構。
圖4-15 (c)利用磊晶的方式製作完成VCSEL 結構。
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首先，利用晶片接合(wafer bonding)技術已可整
合InP 系統的主動層結構於GaAs 材料系統的
DBR 上，藉此達到高效率的長波長VCSEL。
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其次，1.3μm 長波長新材料InGaNAs 可直接成
長於GaAs 基板上亦有相當不錯的元件表現，但
是要將波長推至1.55μm 並不容易，可以利用五
元化合物InGaNAsSb 達到更長的發光波長。為
了配合現有長波長主動層材料InGaAsP 與
InGaAlAs，利用磊晶方式成長晶格匹配於InP
基板的DBR 仍是研究的重點之一。
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此外，利用metamorphic 磊晶技術成長晶格匹配
於InP 基板的GaAs/AlAsDBR 亦被應用於長波
長的VCSEL，然而由於晶體缺陷的因素，此種
雷射元件特性仍有穩定性的問題。使用Sb 材料
系統的DBR 可提供更大的折射率差異並且已被
用在長波長VCSEL 中，然而此種DBR在熱傳導
特性上並不佳，DBR 的成長條件更是極具複雜
性。
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由於長波長VCSEL 面臨了低主動區增益、高熱
阻與嚴重的Auger非輻射復合的光損耗，這使得
主動層發光材料的選擇更加嚴苛。
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為了將發光波長操作在1.3~1.6μm，其主動層
材料對應的能隙值為0.95 與0.78 eV 之間。
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InGaAsP/InP 材料系統雖然最早被應用於長波長
主動層材料，然而其導電帶的導電帶偏移
(conduction band offset)非常小，再加上高的
Auger 係數，使得此材料系統在高溫特性的表
現上始終不佳。
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然而，具應力量子井(strained QW)結構的使用
將有助於減少Auger 再結合的損失，不過進一
步衍生的問題是應力量子井的數目不能過多，
否則將引起主動層中晶體缺陷的產生。
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為了增加應力量子井的數目來提高主動區的光
增益，使用應力補償式量子井結構設計將可有
效減少淨應力的產生。
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因此，使用應力補償式InGaAsP/InGaAsP 量子
井結構有效增進了高溫下的雷射特性。
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為了進一步提升長波長VCSEL 的高溫特性，有
效的將電子侷現於主動層中，以避免電子溢流
出多重量子井結構將是重要的設計考量。
因此許多研究群亦投入於AlGaInAs 材料系統的
研究， 這是由於AlGaInAs 材料系統具有較高
的導電帶能帶偏移(ΔEc = 0.72ΔEg)，不但可以
有效的侷限電子於多重量子井結構中，更可增
進電洞在多重量子井結構中的傳輸。相較於
InGaAsP 量子井結構的導電帶能帶偏移(ΔEc=
0.4ΔEg)，AlGaInAs 主動層材料已被使用於長
波長VCSEL 中，並可在高溫下有良好的操作特
性。
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上述兩種長波長主動區材料系統均是成長於InP
基板上，另一種成長於GaAs 基板的長波長主動
區材料為GaInNAs 材料系統，一般三五族材料
其晶格常數和能隙的大小呈反向趨勢，然而
GaInNAs 材料系統則呈現同向的趨勢，也就是
能隙會隨著晶格常數減少而變小。
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這是因為氮元素加入於GaAs 或GaInAs 材料系
統會引起很大的能隙彎曲參數(bandgap bowing
parameter)，且隨著氮元素的增加能有效的降低
GaAs 或GaInAs 的能隙 。
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然而由於氮元素溶入GaAs 的含量有先天材料上
的限制，因此為了把發光波長推向1.55μm，通
常要再加入Sb 元素才有較佳的元件特性表現。
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使用GaInNAs 材料系統的優點除了可以使用晶
格配匹的AlGaAs 材料系統作為DBR 之外，其
導電帶能帶偏移更可高於300 meV，這項條件
對於把電子侷限在主動層以達到穩定的高溫操
作是非常有利的。
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另一項特別的長波長主動層材料是利用InGaAs
量子點(quantum dot)作為發光層，由於量子點
具有類似原子的電子能態密度(density of states)，
因此許多光學特性的表現與傳統的量子井結構
十分不同，這樣的特性有機會使雷射具有更低
的閾值電流與更穩定的溫度特性。
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除了主動區發光材料是設計長波長VCSEL 的重
要考量之外，適當的DBR 材料系統選擇亦扮演
重要的角色。
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許多不同的材料系統已被提出用在長波長
VCSEL 中，而每一種作為DBR材料都必須考慮
到光、熱與電的特性，這些DBR 材料主要可被
分成三個種類：磊晶成長DBR、介電質材料
DBR 與晶片接合技術DBR，表4-1 列出適用於
1.5μmVCSEL 之不同DBR 材料系統以供比較。
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利用磊晶成長的DBR 具有直接整合於發光層的
優點，例如典型的GaAs 材料系統VCSEL，因
此製造過程相對容易。長波長VCSEL 利用磊晶
成長的DBR 在InGaAsP/InP 材料系統已發展一
段時間。
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不幸的是，在InP 與InGaAsP兩種材料之間的折
射率差異非常小，所以必須成長相當多層的
DBR才能達到高的反射率，圖4-17 為三種適用
於1.55μm 波段的DBR 材料其DBR 對數與反射
率的關係。
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此外，由於四元化合物容易產生聲子(phonon)
的散射，因此InGaAsP 材料系統的熱導係數相
當低，再加上厚的DBR 層，限制了InGaAsP
VCSEL 的最大操作溫度。
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適用於長波長VCSEL 的第二種DBR 材料為介
質材料DBR，這種材料系統的DBR 典型的組成
是利用氧化物材料，因此可以提供相當高的折
射率差異，通常小於8 對就可以達到極高的反
射率，短的DBR穿透深度亦有減少光損耗的優
點。
然而由於氧化物材料本身並非結晶性材料，因
此在熱傳導效率上並不佳，當雷射在連續操作
的情況下容易形成自熱效應(self-heating)，此外，
這種氧化物類形的DBR 通常只能用於上DBR
的部份，因為要在氧化物上成長高品質晶體形
態的半導體發光層是非常困難的。
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第三種利用晶片接合技術來製作長波長VCSEL
的DBR 材料通常是AlAs/GaAs 材料系統，這是
由於AlAs 與GaAs 具有相當接近的晶格常數與
相對較大的折射率差異。而晶片接合技術主要
用於成長於InP 基板的主動層材料，利用此技
術可提供不需晶格匹配於GaAs 或InP 基板的
DBR 材料。
其製作方式是將主動層發光材料與DBR 材料分
開成長，然後再利用高溫與高壓的環境下熔接
兩種晶片，這樣的接合界面不但可以達到電傳
導，同時亦可達到光穿透的特性。
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除了上述三種主要應用於長波長VCSEL 的DBR
材料系統外，另一種DBR 材料是使用InP 與空
氣所組成的DBR 結構，這樣的結構可以提供非
常大的折射率差異。
因此只需要三對DBR 數目即可達到99.9%的反
射率，這樣的InP 與空氣所組成的DBR 是利用
選擇性蝕刻技術製作而成的，整個VCSEL 元件
結構直接利用磊晶技術成長而成，不需要經過
再成長的過程，原始DBR 結構為InP 與GaInAs
所組成，利用選擇性蝕刻將GaInAs 去除形成空
氣，進而製作InP 與空氣介面的DBR。
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近年來在長波長VCSEL 的發展方面，Lin 等人
利用InP 與空氣所組成的DBR 結構配合
InGaAsP/InP 主動層成功製作1.3~1.55μm 高溫
下連續操作的長波長VCSEL，他們利用穿隧接
面(tunnel junction)結構轉換電子成電洞以減少p
型材料造成的自由載子吸收，高溫連續操作可
至85℃。
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2005 年Cheng 等人使用AlGaInAs 材料製作
1.3μm VCSEL，其雷射在連續操作下，並在120
℃ 可輸出2 mW 雷射功率，且保持在單模態輸
出的情況，高速調變其資料傳輸速率可高達10
Gbs 。
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2009年Onishi 等人使用了GaInNAs 材料並配合
穿隧接面結構製作出室溫下可輸出4.2 mW 之長
波長VCSEL，操作溫度範圍在25℃~85℃ 可保
持10 Gb/s 的調制速度。
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近期長波長VCSEL 的發展非常迅速，不僅在操
作溫度可以更高，雷射波長可以更長，輸出功
率提高，閾值電流降低，且調制速度已超過25
Gb/s。