經由以上的研究，我們已經獲得了以下的重要結果：
1.欲成功達成氮化鎵藍光垂直共振腔面射型雷射或是面射型發光元 件，第一個關鍵點是半導體材料之布拉格反射鏡的成長技術。在 AlN/GaN 材料的 DBR 中，除了提高 DBR 的反射率到 99％以上，已達 到 VCSEL 元件的反射鏡需求這項議題外，如何克服兩材料晶格常數 差異大，產生之應力造成樣品的裂痕，是元件能成功被製作的基 礎。本實驗元件下層的 AlN/GaN 布拉格反射鏡在波長 458 nm 下，
反射率可達 94％。
2.如何設計面射型發光元件的共振腔腔長，同時兼顧製程上的可行性 與元件的特性結果，是 VCSEL 能成功的重要議題。目前世界上各團 隊的研究結果多主張以 3λ的共振腔長來製作元件，而且樣品的腔 長成長是必須精確控制，已確保元件共振腔中的光模態與量子井發 光波長相符合，元件才能有好的特性。
3. DBR 的高反射區要符合 InGaN 量子井發光波長是第三個重要的議 題，本實驗室已從光激發的觀點瞭解，本實驗室已有能力將 DBR 的 高反射區符合 InGaN 量子井發光波長。
4.氮化鎵面射型元件因為 Sapphire 基板無法導電，所以元件必須做
成內部共振腔(Intra-cavity)的形式，在 3λ的微共振腔元件中，
N 型 GaN 層厚度很薄(～0.15μm)的狀況下，如何精確控制蝕刻的 深度與蝕刻的均勻度，是元件能否製程成功的重要關卡。
5.製作成功的面射型發光元件其電激發螢光波長位於 420 nm，且半 高寬只有 4.38 nm，實驗所獲得的共振腔品質因數 Q 為 113，元件 的電阻值為 612 歐姆，啟動電壓為 3.2 伏，其上 DBR 為 4 pair 的 SiO
2/TiO
2其下為 20 pair 的 AlN/GaN 而個別反射率為 94%和 98%。
最後針對本實驗製作的元件，其電阻值 612Ω過高、電流擴散不 夠均勻、電激發螢光的光譜其半高寬為 4.38 nm、共振腔 Q 值 113 都 還需要再改進，才有可能往氮化鎵垂直共振腔面射型雷射的成功之路 邁進，在此也提出幾點可以改進的方向：
1.在電阻值改進方面：除了致力於材料中摻雜載子的活化比率，已降
低材料的阻抗外，增加 P 型電極與元件的接觸面積亦可以有效降低
元件的阻值，然而若是在沒有其他電流侷限的方式之下，元件的能
量轉換效率會很低，原因為大部分的出光都被電極給擋住了。若欲
以離子佈植的方式來侷限電流，在微共振腔的結構之下，如何精準
控制離子佈植的深度，是需要克服的。至於氧化的製程技術，在氮
化鎵材料方面目前技術上還尚未成熟。
2.電流均勻擴散改進方面：如何將電流均勻擴散到元件的出光口中，
使元件出光均勻而且又要避免影響到上層的反射率是尚待克服的 議題，在這個議題上已經有團隊提出以穿透式接面層(Tunnel junction)的 p
++/n
++的磊晶形式形式，達成電流均勻擴散的目的，
由於 P 型 GaN 之電流傳導性欠佳，且 P 型電極製作後其電阻值也甚 大，所以採用此結構除了可以使得電流在 n
++層下便可以均勻擴散 外，又可以避開 P 型電極採用 N 型電極且減少元件串聯電阻值，然 而採用此結構會使得元件的起始電壓增加約 1 V 左右，以供電子克 服穿透能障。
3.在電激發螢光的半高寬與元件共振腔 Q 值改進方面：除了提高元件
下層 AlN/GaN DBR 反射率外，由於上層介電質的布拉格反射鏡之反
射率可較容易提升，增加介電質鍍膜的對數到 6 或 7 層，便可以提
升反射率到約 99％，所以整個元件的出光方向為往 Sapphire 基板
面出光，以這樣的結構當然需要對 Sapphire 基板做刨亮的動作，如
此便可以在現有的技術之上再提升共振腔的 Q 值。至於元件 P 型氮
化鎵層因為鎂的摻雜造成的不平整，則較難以估計其對 Q 值的影
響，但是同樣的對於氮化鎵垂直共振腔面射型雷射來說，元件表面
與介電質反射鏡之介面的粗糙度，也需要小於 2 nm/cm
2，雷射元件
方有可能成功。
在本論文的研究討論與製程上經驗的累積，期望對於氮化鎵藍光
垂直共振腔面射型雷射的元件製作上有所貢獻，使得 VCSEL 這樣特性
良好的元件能早日問世，並量產化來造福人類的生活。
圖 1a 以金屬反射鏡搭配半導體布拉格反射鏡元件示意圖
圖 1b 全為介電質材料布拉格反射鏡元件示意圖
ep e pi i D DB BR R
Sa S a pp p ph hi i re r e
MQ M QW W P- P -t ty yp pe e G Ga aN N
N- N -t ty y pe p e Ga G aN N
N
N
eelleeccttrrooddee PP
eelleeccttrrooddeeDi D ie el le ec ct t ri r ic c DB D BR R M MQ QW W
P
P- -t t yp y pe e G Ga aN N
T T e e m m pl p la at te e
N- N -t ty y pe p e Ga G aN N
N electrode P electrode
To T op p D DB BR R
圖 1c 半導體搭配介電質布拉格反射鏡的元件示意圖
N electrode P electrode
ep e pi i DB D BR R
S S a a pp p ph h i i re r e
MQ M QW W P P- -t ty yp pe e G G aN a N N N- -t ty yp pe e G G aN a N
T T o op p DB D BR R
圖 2-1a 建設性與破壞性干涉示意圖
圖 2-1b 光學共振腔示意圖
E
iE
0M2 M1
Pumping Source
E
1+E
2+E
1-E
0-E
tranE
riΓ
1Γ
2Construction Interference Destruction Interference
圖 2-1c 對稱共振腔中穿透率與反射率之關係圖
圖 2-1d 光模態與光激發螢光光譜圖
0.5 1 1.5 2
0.2 0.4 0.6 0.8 1
R1=R2=0.7 R1=R2=0.8 R1=R2=0.9
Transmission
π n×λLc 2
圖 2-2a 布拉格反射鏡示意圖
n
H入射光電場
n
Ln
Hn
Ln
Hn
Ln
Hn
Ln
Hn
Ln
Hn
L圖 3.1a 樣品表面之光學顯微鏡照面
圖 3.1b SiO
2/TiO
2介電質布拉格反射鏡之反射率頻譜
SiO
2/TiO
2360 400 440 480 520 560 600 640 0
20 40 60 80 100
Peak 458 nm R ~98.5 %
Reflectance(%)
Wavelength (nm)
圖 3.1C AlN/GaN 布拉格反射鏡之反射率頻譜
圖 3-2a 光激發螢光系統示意圖
樣品
TR T R IA I AX X- -3 32 20 0
光譜 光 譜儀 儀
3 32 25 5 n nm m H He e- -C Cd d L La as se er r
反射鏡 1反射鏡 3
電
電荷荷耦耦合合元元件件((CCCCDD))
聚焦透鏡 1 聚焦透鏡 2
反射鏡 2
三軸平移台 濾光片
Melles Griot Series-74 350 375 400 425 450 475 500 525 550
0 20 40 60 80 100
R e flectan c e (%)
Wavelength (nm)
圖 3.2b MQW 的 PL 頻譜圖
圖 3.3a 光激發系統的架設
Spot size=0.2cm Jobin-Yvon Triax
320 Spectrometer
sample
ND Filter
Lens F=15cm
YVO4 355nm pulse laser
350 400 450 500 550 600 650
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
intensity(c.u.)
wavelength(nm) 458nm
10.5nm
圖 3.3b MQW 的發光波長正好在反射率的 Dip
Only bottom DBR-sample A Two DBR- sample B
intensity(a.u.)
power density(MW/cm2)
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
25 Only bottom DBR-sample A Two DBR- sample B
intensity(a.u.)
power density(MW/cm2) 457.5nm
FWHM=4nm
spectrum of optical pumping
350 375 400 425 450 475 500 525 550 0.0
Reflection spectrum of two DBR
wavelength(nm)
圖 4.1b GaN Intra-Cavity VCSEL 元件示意圖
Sapphire B-DBR
n-layer MQW p-layer
T-DBR
n contact p contact GaAs Substrate
n-DBR n-layer MQW p-layer p-DBR p contact
n contact
圖 4.1a GaAs VCSEL 元件示意圖
圖 4.1c SiO
2/TiO
2介電質布拉格反射鏡之反射率頻譜
圖 4.1d VCLED 製作流程圖
SiO
2/TiO
2360 400 440 480 520 560 600 640 0
20 40 60 80 100
Peak 458 nm R ~98.5 %
Reflectance(%)
Wavelength (nm)
圖 4.1e (a)元件完成示意圖(b)掃瞄式電子顯微鏡拍攝圖
圖 4.2a 電激發螢光量測系統示意圖
Computer Probe Station
Jobin-Yvon Triax 320 Spectrometer 100 μm
Optical Fiber
Microscope UV power
detector
Keithley 238 CW Current Source
Newport 1835-C Optical Meter
Sa S a pp p ph h ir i re e U- U -G Ga aN N Al A lN N/ /G Ga aN N DB D B R R
n- n MQ M -G Ga QW a W N N
SiO
2/TiO
2DBR
(a) (b)
p- p -G Ga a N N
N contact P contact
圖 4.2b 面射型發光元件之電流密度與電壓關係圖
圖 4.2c 面射型發光元件之發光亮度與電流關係圖
0 3 6 9 12
0 50 100 150 200 250 300
I(A/cm2 )
V(v)
0 200 400 600 800
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
R e la ti v e p o w e r ( a .u .)
Currnet Density (A/cm 2 )
sample A sample B
圖 4.2d 元件電激發頻譜
350 375 400 425 450 475 500 525 550 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
422.1nm
FWHM=
4.38nm
EL-sample B
intansity(a.u.)
wavelength(nm)
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