環型雷射實驗動機

線性半導體雷射二體實現了雷射元件的積體化，使雷射不但可以大量製造，可 以將更多的光電元件整合成一系統晶片，達到新的光電轉換功能與光訊號處理能 力，半導體雷射元件也會因此而有更多樣化的結構出現，同時也會產生新的雷射 元件機制與相互之間作用的概念，半導體環形雷射二極體由一個圓環型波導共振 腔及一個或多個 Y-型光耦合輸出組成，經過將近二十年的有關半導體環型雷射 二極體的實驗研究，逐漸勾勒出半導體環型雷射二極體的輸出特性及其雷射作用 機制，例如：光孤子波導產生、雷射頻率的轉換，推究其因，主要是因多重量子 井材料具有很高的三階光學非線性係數，使得光學非線性效應容易被激發，也因 這新的元素加入，將使得半導體雷射有更多新的功能與研究的領域。

半導體雷射具有體積輕巧、效率高、消耗功率小、使用壽命長，以及容易由 電流大小來調制其輸出功率等特性。傳統線性半導體雷射，需要端面鏡面形成共 振腔結構以達到產生雷射工作條件，而且必須以晶格劈裂來產生端面鏡面，故不 易在製程技術上與其它被動元件整合。由於直線型共振腔偏短輸出為多縱模態，

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由於通訊傳播應用與光學記錄解析度要求越來越高，所以對於單模態輸出雷射的 需求也會越來越高。

本論文採用圓形共振腔結構製作雷射，以 Y 型耦合器耦合輸出(如圖 1.3)，

在利用蝕刻製作圓形共振腔波導結構，不需要鏡面，因此較容易製作且較易與其 它元件整合成單晶片光積體電路，另外環形共振腔半導體雷射因其共振腔的有效 長度比直線型共振腔長，旁模抑制(side mode rejection)能力較好，很適合操 作在單一模態中，單模態輸出的效果較直線型半導體雷射好，所以可以成為窄頻 寬應用之光源。

圖 1.3 環形雷射示意圖

1.3 環型雷射發現光孤子波導現象

我們目前實驗研究於一個 Y 型耦合輸出器與一個環型共振腔的輸出模式，主 要目的是繼續深入進行有關透過環型共振腔來激發雷射的實驗，在一半導體環型 共振腔元件中利用環型共振腔因其圓環模式和線性波導模式的混合特性，輻射激 發來實現空間光孤子的產生。

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據實驗研究顯示，可以在量子井結構的介質中激發強烈的光學非線性，因此 可以觀察到高階非線性效應，例如四波混合和光學克爾效應，自聚交的光孤子輸 出，和共軛反射這些特性。從環型波導輸出到光孤子波導的激發與其輸出模式，

分析波導輸出端的光場分佈特性與空間光孤子的光場分佈之差異，進而能夠增加 對環型雷射特性與其所發生的現象有更良好的掌握。

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共振腔的兩平行反射鏡面經由劈裂(cleaving)方式，使得半導體可沿著原子排列 的平面處平整斷裂而形成天然的鏡面(facet)，此鏡面具有特定的反射率，一方 面提供雷射光在共振腔中來回振盪，一方面也可讓雷射光通過鏡面，成為輸出耦 合的雷射光，因為雷射光的振盪方向與異質接面平行，且雷射光由兩端面射出，

此種雷射又稱為邊射型雷射(edge emitting laser ,EEL)。

圖2.2各種半導體之能隙與晶格常數關係圖

此研究使用半導體雷射中最常見的主動層結構-量子井(quantum well)結構，

我們使用n型的砷化鎵為基板並以MOCVD成長出InGaAlP的多重量子井的磊晶結構 來製作為脊狀的環型共振腔，其發光波長為650nm左右。而主動層是以兩層10nm 一層5nmInGaAlP中間夾兩層5nm GaInP的多重量子井結構，並在此量子井上下各 有一層厚為100nm的披覆層(cladding layer)如圖2.3。

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圖2.3 InGaAlP的多重量子井磊晶結構圖

我們可以由 計算出GaInP的 約為1.9eV，如圖2.4[14]所示。

圖2.4 多重量子井與披覆層能帶圖

由圖2.4可以看出 = 1.9eV就是GaInP的能隙發出的紅光波長為650nm，

故可以推斷出其材料的能隙而判斷是何種材料發出的光。此能帶圖能隙最大 的是 其 = 2.4eV，它在這裡則是被當成披覆層(cladding layer) ， 而 其 他 的 類 似 階 梯 結 構 的 能 帶 圖 則 稱 為 漸 變 性 折 射 率 SCH(Separate-confinement-heterostructure) (grade-index SCH ， GRIN-SCH)其中波導管的GRIN是由一些小階梯式、逐漸增加能隙能量的複合 包覆層來達成。GRIN-SCH結構比SCH結構更能有效的限制載子及光場，因此

1.24

E

  E

E

(

Al Ga In P

E

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其臨界電流密度會更為低。由於MQW結構的存在，使許多先進的雷射與光電 積體電路在未來系統應用上變得可能。

2.2 復合與發光機制

一.二極體的能階與能隙

在原子核內的質子與在原子核外的電子之作用力，驅使電子按照其與質子的 作用力的不同而分在不同階層，這些階層稱作「能階」（energy level），越外側 軌道上的電子其能量就相對越大，因為這樣才可克服原子核內質子的束縛，在外 圍軌道上環繞，如圖所示。當價電子（在最外層軌道的電子）吸收足夠的能量（其 能量可由光、熱...等所構成）時，即從價電帶（最外層的軌道）脫離變成自 由電子後，其所佔據的軌道稱做傳導帶，而價電帶則留下電洞。當自由電子釋放 能量後回到價電帶時，傳導帶與價電帶所形成的能量差我們稱之為「能代間隙」， 簡稱「能隙」（energy band gap），如圖 2.5 所示。

圖2.5能階示意圖 二. 光與物質

當光與物質接觸時，會有三種基本的光與物質之間的交互作用：吸收、自發 輻射與激發輻射(圖2.6)。

當光與物質接觸時，物質內部的電子因為吸收了光的能量，所以從基態（電

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子在能量最少的狀態稱作基態，也就是說物質中位在最底層的能階上的電子）躍 升到激發態（電子在能量最多的狀態稱作激發態，也就是說物質中位在最外層的 能階上的電子），此即為吸收的過程。自發放射中物質吸收光子能量後，電子躍 遷到激發態，當入射光消失時，電子經過一小段時間後，會自然回到穩定的基態。

這時能量將以光子方式釋放，且朝各方向放射的機率相同，一般LED放出的光子 即為自發放射。而激發放射則是在激發態之粒子受到入射光的作用而躍回基態，

受激放射的頻率與入射光相同，而且放射光方向與入射光運動方向一致，也就是 產生波長一樣且相位一致的放射光，這是雷射光發生的重要過程。因此受激放射 能使光同調(coherent)放大，所產生雷射光具有獨特的性質:如單光性

(monochromatity)、指向性(directionality)、與同調性等。

圖 2.6 光與物質之間的交互作用

2.3 半導體雷射居量反轉原理

「居量反轉」是產生雷射光的重要條件，就是上能階的電子密度必須高於 下能階的電子密度。熱平衡下，上能階的電子密度一般都低於下能階的電子密 度，也就是說，如果將能階看成是樓層，電子當做是人，這裡的人喜歡居住在

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低的樓層，而不喜歡住在高樓層。但居量反轉發生時，高樓層住的人多，低樓 層則住的少，這與熱平衡下的分布趨勢相反，因為這緣故，當雷射發生時，才 能夠放大放射光。半導體雷射的注入電流必須大於其臨界電流密度後，才能產 生出雷射光。而臨界電流密度則跟接面溫度有關，並且間接影響雷射效益。如果 接面溫度提高，則臨界電流密度也會跟著提高，雷射效益則會下降，間接導致元 件毀損。

當半導體雷射的注入電流小於臨界電流密度時，這個時候發光機制皆來自於 自發放射，此時光譜分散較廣。但當半導體雷射注入電流超過臨界電流密度時，

這時半導體的大量的電子電動進入到主動區形成居量反轉，最後再主動區產生出 激發輻射。

雷射運作的過程，可分五個步驟(圖 2.7)：（a）未激發的原子；（b）藉由 外界電流導入電子，電子與電洞會產生自發輻射；（c）自發發射頻譜經過共振 腔篩選，只剩下幾個特定頻率共振，這時，原子數目已達居量反轉分布，受激 發射開始；（d）受激發射，經過共振腔多次往返，增益漸增，光沿著光軸方向 逐漸加強強度；（e）因受激發射而繼續放大，達到臨界值而輸出雷射光。

圖 2.7 居量反轉示意圖

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首先在能階系統內定義基態(ground state)能階為E¹,E²為激發態(excited state )能階，且N¹為基態粒子數，N²為激發態粒子數，我們將這些參數利用波茲

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(式2-16)表示當N² > N¹，即 ，且E² − E¹ > 0，k為常數，所以此時的絕對 溫度T會是負的。這時候就達到居量反轉(population inversion)，當高能階的 粒子數大於低能階粒子數，此時就達到雷射條件。

然而要達到雷射運作，需要由一些基本條件來組成：

(一) 限制因子(confinement factor)

(五) 臨界增益(Threshold gain)

(式 2-21)

其中 限制因子 材料吸收或散射機制所引起的損耗 L共振腔長度 R鏡面端的反射係數

(六) 臨界電流密度(Threshold current density)

2

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Con.L AlGaInP 90 nm 1E+18 n Si n-claddin

g

AlInP 15 nm 1E+18 n Si Buffer GaAs 500 nm 1E+18 n

Si Substrat

e

GaAs 350 µm 0.7~4E+18 n Si 表3.1 650nm 紅光磊晶片結構圖

圖3.1 雷射磊晶片之激發光譜

3.2半導體環型共振腔元件製程

將基本規格晶圓，經由清洗、光罩設計、曝光顯影、蝕刻等製程，所製成半 導體環形晶雷射晶片，(圖 3.2)為本實驗室所使用環形雷射晶片製成流程圖。

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(5)將晶片浸泡NH⁴OH：DI water = 1：8之混合溶液中浸泡30秒，目的為去 除晶片上殘存之金屬顆粒或雜質。

(6)最後以去離子水清洗乾淨，再以氮氣將表面吹乾。

圖3.3 多重量子井發光方向 2. 成長SiO²

電子束蒸鍍技術是最常應用在半導體製程中的製作電極方法，我們使用ULVAC 電子束蒸鍍機(圖3.4)，在切割好的晶片上蒸鍍一層約200nm之SiO²，此SiO²主要 目的為當作之後ICP的阻擋層，製程示意圖3.5。

圖3.4 電子束蒸鍍機

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圖3.5 成長SiO²製程圖

3. 光阻塗佈

(1)採用正光阻AZ P4210塗佈，STEP1的轉速為2500rpm，STEP2的轉速為 7200rpm，塗佈後正光阻的厚度約為2.0μm。

圖3.6 塗佈機

(2)將光阻放入烤箱軟烤為90℃5分鐘，去除光阻的溶劑成分，製程示意圖如 下(圖3.7)。

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圖3.7 光阻塗佈製程圖 4. 曝光

圖3.7 光阻塗佈製程圖 4. 曝光