半導體飽和吸收體

2.4.2-1 半導體飽和吸收體的能帶與晶格常數

半導體和常見的固體一樣會有吸收的狀況，其吸收係數一般在10⁴/cm，吸收 波長取決於能帶間隔，即能帶間隙或稱禁帶寬度（band gap），以Ⅲ-Ⅴ族化合 物半導體為例，吸收帶一般在可見光和近紅外光波段。例如常見的砷化鎵（GaAs）

對應於870nm而言，能帶間隙E^g是1.423eV。砷化鋁（AlAs）的能帶間隙（E^g）更

高為2.13eV，透明段波長可短至570nm。為了因應實驗上各種吸收波長的需求，

常常要以三元化合物半導體來調製，常用的有砷化鋁鎵（AlGaAs）、砷化銦鎵

（InGaAs）、砷化銦鋁（InAlAs）…等。

由於InAs的能帶間隙只有0.356eV，所以常用它與Al或Ga來調節三元化合物 半導體的能帶間隙（E^g），因此這種化合物常常寫成Al^xGa^1-xAs ，In^xGa^1-xAs，

In^xAl^1-xAs…等，以下標x來代表該組成成分的含量。三元化合物半導體的能帶間 隙可利用經驗公式來計算，對於沒有受到應力變形的In^xGa^1-xAs，其能帶間隙可以 用二次曲線來表示：

( )

eV x x

E_g =1.423−1.53 +0.45 ² （2.3 式）

所以只要改變In 的含量就可以把In^xGa^1-xAs禁帶寬度調變在0.356~1.34eV之間。

由於半導體飽和吸收體一般是運用外延法生長在半導體的基板上，在磊晶的 過程中，應該選擇基板晶格常數與欲生長的半導體化合物之晶格常數相近，如此 才不會造成過大的應變而扭曲變形。晶格常數可以由X-ray衍射法測得，精確度 可達 ，組成成分的配比可以由X-ray射線螢光法測得，如圖2.6~2.8 所示，而表2-2列出了幾種常見的半導體基板的晶格常數與禁帶寬度。表中顯示 出AlAs與GaAs的晶格常數基本上是匹配的，由於他們的折射率不同，因此只要是 以GaAs為基材的半導體飽和吸收鏡(SESAM)，其上的布拉格反射鏡便是由這兩種 晶體交叉生長而形成的。[10][11]

0001nm .

±0

表2-2 幾種常見半導體的能帶間隙與晶格常數

半導體化合物

InP GaAs AlAs InAs

能帶寬度（eV） 1.34 1.423 2.13 0.356

晶格常數（nm） 0.5868 0.56533 0.5661 0.6058

2.4.2-2 半導體的能帶與量子井

若我們設計吸收體薄到一定的程度，並且被加在高能帶間隙的材料中間，就 變成了所謂的量子井。在設計半導體飽和吸收體時，根據吸收能量的大小，可以 選擇採用體吸收或是多量子井結構，在波長大於860nm的吸收區，就需要加入銦

（In）來降低禁帶寬度，可採用In^xGa^1-xAs三元或是四元化合物。量子井的能帶間 隙不只取決於半導體材料本身的禁帶寬度，與量子井的寬度也有關，例如 In^0.53Ga^0.47As，在銦含量固定的狀況下，若改變量子井的厚度，便可把吸收光譜調 變於1.1μm~1.6μm，如果單個量子井的吸收能量不夠，可以採用多量子井的設 計來改善。

圖2.9為半導體飽和吸收鏡（SESAM）的結構示意圖，把反射鏡與吸收體結合 在一起。底層一般為兩種半導體材料交叉生長10~30組而形成的布拉格反射鏡，

其 上 生 長 一 層 半 導 體 飽 和 吸 收 體 薄 膜 ， 這 上 下 兩 個 反 射 鏡 就 形 成 了 一 個 Fabry-Perot 共振腔，改變吸收體的厚度以及兩反射鏡的反射率，便可調節吸收 體的調制深度和反射鏡的帶寬。然而這種結構往往因為須在基材上鍍多層的布拉 格反射鏡面結構(Distribution Bragg Reflection 簡稱 DBR ) 或是SBR結構，

運用此技術長出多層具有一大一小不同折射率的材料，藉此來操控腔內能量的輸 出，若我們所選擇以磷化銦與磷化銦鎵砷(InP/InGaAsP)為基材的折射率差（∆n）

較小，SESAM底部就需要成長25~30對DBR結構，SESAM-OC則需要長10對左右，對 半導體的成長技術上而言比較繁複，因此本論文中嘗試將基材鍍上1342m波段抗 反射膜，形成Semiconductor Saturable Absorber (簡稱SESA)結構，只需在雷 射共振腔的設計中外加一面輸出耦合鏡，以取代布拉格反射鏡結構。由於我們的 SESA結構只需擔任飽和吸收的功能，不需要擔任反射鏡的功能，於是我們在成長 晶片的過程中，有別於以往SESAM基質中所摻雜的硫離子，改以選擇穿透率較好 的鐵離子（Fe-doped）摻雜方式為基底，並且兩面拋光鍍1342m抗反射膜，以確 保大部分的脈衝光源皆能透過去，其光譜圖如圖 2.10所示，圖中顯示以Fe-doped

的InP基質穿透率可高達 91％，而S-doped的InP基質穿透率僅有 64％。

由於半導體飽和吸收體的回復時間與材料磊晶過程所涉及的參數相關，其在 時間上的反應機制，主要為導電帶的電子與價電帶的電洞相互結合的反應時間，

約ps~ns這與磊晶時的溫度、材料等有關，因此在設計半導體量子井飽和吸收體 時，可利用分子束磊晶技術將色散補償、量子井結構、飽和吸收體生長在同一片 晶片上（此部分是由交大電物所黃凱風老師所支援提供），且半導體飽和吸收鏡 的體積小，極易整合至共振腔內，故被廣泛應用於脈衝自啟動的固態雷射中。

本實驗中所使用的半導體飽和吸收鏡材料有磷化銦鎵砷（InGaAsP-15QWs）

與砷化鋁鎵銦（AlGaInAs-2QWs，AlGaInAs-15×2QWs）兩大類，以單光儀量測其 穿透光譜圖如 2.11，2.12 所示，飽和穿透率與未飽和穿透率之差與調變深度（Δ R）有關，就 AlGaInAs- 2QWs 結構而言ΔT 為 1.4%，遠小於多砷化鋁鎵銦

（AlGaInAs-2×15 QWs）量子井結構的 28％，若ΔT 值大表示飽和吸收體的飽和 前後腔內所耗差大，所得的脈衝輸出能量越大。故預估若以 AlGaInAs-15×2 QWs 量子井結構為飽和吸收體，所量測到的脈衝能量應該比前者大；而圖 2.13 為不 同材質所製作的量子井半導體飽和吸收體的穿透率光譜，以 InGaAsP 材質所量測 得的穿透率差值為 13％，表示可調變深度也比 AlGaInAs-15×2 QWs 量子井結構 小；關於此一部分在第四章將針對此三種量子井結構為飽和吸收體，研究與探討 其峰值功率與脈衝雷射時域分布的穩定性。

第二章 圖示

High initial cavity loss

loss

Pumping process builds up a large

Cavity loss is

suddenly switched to low value

Giant pulse laser action High initial cavity loss

Laser output Laser output

loss

Pumping process builds up a large

Cavity loss is

suddenly switched to low value

Giant pulse

laser action

Ground state

photons

Excited state

mediumgain

Ground state

photons

Excited state

mediumgain gain

medium

Ground state

photons

Excited state

圖2.3 飽和吸收體透射率隨入射光強度之變化

N

_{G to E}

= N

_{E to G}

Transmission

N

G to E

： the

number of electrons from ground state to excited state

N

E to G

：

the number of electrons from excited state to ground state

∞ 100

穿 透 率 (%)

T0

I 光強度

圖2.4 Cr ：YAG飽和吸收體的能階躍遷過程[8] ⁴⁺

圖2.5 In^1-x-yGa^xAs^yP^1-y材料，在不同配比成分下應變比例與能帶間隙圖 N4

σ

_e

N3

ω

^{2 (fast)}

ω

¹ (fast)

N2

入射光

σ

_g

ω

³ (slow)

N1

圖2.6 In^1-xGa^xAs^yP^1-y材料，在不同配比成分下晶格常數與能帶間隙關係圖

圖2.7 In^1-x-yGa^xAl^yAs材料，在不同配比成分下應變比例與能帶間隙圖[10]

圖2.8 半導體的能帶間隙與晶格常數[11]

Ic＜Io

Io

I1

SESA AR@1342nm

output coupler PR@1342nm Ic＜Io

Io

I1

SESAM

Top Bottom

圖2.9 半導體飽和吸收鏡與半導體飽和吸收體結構示意圖

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 0

20 40 60 80

100 1342nm

64%

91%

Transmission(%)

Wavelength(nm) substrate AR coating

InP-Fe doped InP-S doped

圖2.10 基材摻雜不同離子所量測之穿透率光譜圖

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

0 20 40 60 80 100

AlGaInAs- 2 QWs ^{1342 nm}

T₀(AlGaInAs) T

Wavelength(nm)

Transmission(%)

圖2.11 AlGaInAs量子井飽和吸收體的穿透率光譜圖

∆T = 1.4％

more transparent

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

100 1342 nm

1064 nm

Transmission(%)

Wavelength(nm) AlGaInAs- 2 QWs

AlGaInAs-15x2 QWs

ΔT= 13 ％

ΔT= 28 ％

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

0

InGaAsP-15x1 QWs AlGaInAs-15x2 QWs

1342 nm

ΔT= 13 ％

ΔT= 28 ％

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

0

InGaAsP-15x1 QWs AlGaInAs-15x2 QWs

1342 nm

T

在文檔中 以磷化銦基材之量子井結構為半導體飽和吸收體實現1.3μm 被動式Q-開關雷射 (頁 18-29)