量測系統架設

Chapter 3 實驗製程與量測設計

3.4 量測系統架設

A.L-I-V 曲線量測系統:

藉由 L-I-V 曲線量測，我們可得知半導體雷射的基本特性: 起始電流(I_th)、

斜率效益(η_s)、導通電阻(R_s)及導通電壓(turn-on voltage,⁡V₀)等，進而分析萃取出雷射的內部損耗(α_i)、鏡面損耗(α_m)、雷射增益(G)及飽和增益(G^sat)等等更多重要參數。在此所使用的量測系統如圖所示，將雷射元件放置於具有電子溫控器(TE-Cooler)的銅製載座上，目的是用以控制元件溫度，再利用

KEITHLEY 2520 經由探針通入電流促使雷射發光，雷射元件所發出的雷射光經由量測系統上面的 Ge 偵測器收光，之後回傳電性與光性至系統，再傳至電腦做分析。

Computer LDT-5910

Temperature

Controller TE-Cooler KEITHLEY 2520

Pulsed Laser Diode Test System

Probe Station

Laser Device Station

Detector I

圖 3-4-1 L-I-V 量測系統

B.雷射頻譜(spectrum)量測系統:

雷射頻譜量測與 L-I-V 曲線量測方式類似，先將雷射元件置放於銅製載座上，

使用電子溫控器(TE-Cooler)控溫，同樣利用 KEITHLEY 2520 作為雷射電流供應器，而雷射光經由準直鏡片(collimator lens)聚焦後經由光纖傳到 ANDO

AQ-6315E 光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer)，最後再回傳電腦做分析。

LDT-5910 Temperature

Controller TE-Cooler KEITHLEY 2520

Pulsed Laser Diode Test System

Probe Station Laser Device Station I

OSA

Computer Lens Module

SM Fiber

圖 3-4-2 雷射頻譜量測系統

第四章實驗結果與討論

為了探討不同共振腔長度對 DBR 的雷射特性，我們一共設計了十種不同的共振腔長度，分別為 500µm、400µm、300µm、250µm、200µm、150µm、100µm、75µm、

50µm 與 30µm，而共振腔寬度則為 10µm。在本實驗中，我們先使用 Rn640 單層量子井雷射作確認 DBR 雷射的製程參數調整，接著利用 Rn727 三層量子井雷射討論自然劈裂鏡面與 DBR 鏡面雷射的特性分析，最後再使用 Rn913 量子點雷射實現波段為 1.3µm 的 DBR 雷射。

4.1 磊晶結構:

實驗中所使用的半導體雷射是由分子束磊晶系統在𝑛^:𝐺𝑎𝐴𝑠⁡wafer 上成長不同結構的量子井雷射與量子點雷射，其中 Rn640 為單層的量子井雷射;Rn727 為三層量子井雷射;Rn913 為七層量子點雷射。以量子點雷射為例，磊晶流程如下:

先在𝑛^:𝐺𝑎𝐴𝑠⁡⁡wafer 上面成長一層 200nm 的𝑛^:𝐺𝑎𝐴𝑠 Buffer，接著在𝑛^:𝐺𝑎𝐴𝑠 Buffer 上成長 100nm 的漸變層，鋁的比例從 0.1 到 0.4，接著成長厚度 1.3µm 的𝐴𝑙_0.4𝐺𝑎_0.6𝐴𝑠當 n-type 披覆層，接著成長主動層。主動層由 2.7ML 量子點上面覆蓋 5nm 的𝐼𝑛_0.15𝐺𝑎_0.85𝐴𝑠量子井，每層量子點密度大約為3 × 10¹⁰𝑐𝑚^;2，每層量子點以45nm的GaAs隔開。量子點外圍各有150nm的 GRINSCH (graded index separate confinement heterostructure) GaAs，用來侷限載子於量子點內，最後在主動層上覆蓋 1.3µm 的𝐴𝑙_0.4𝐺𝑎_0.6𝐴𝑠及漸變層GRIN，使主動區成為一波導。

下圖分別為 Rn640、Rn727、Rn913 等半導體雷射的結構圖

A.Rn640 單層量子井雷射

利用分子束磊晶成長，主動層(active layer)由一層量子井所組成，主動層上下各被 1µm 厚的𝐴𝑙_0.4𝐺𝑎_0.6𝐴𝑠 cladding 及150nm的 SCH GaAs 所包覆以侷限光。

1. 8nm In

_0.2

Ga

_0.8

As

2. 150 SCH GaAs

1 2

N-Cladding Al0.4Ga0.6As (1E18)

P-Cladding Al0.4Ga0.6As (1E18)

100nm_GRIN Al0.4Ga0.6As-Al0.1Ga0.9As_1E18~1E19 250nm_p⁺GaAs_1E19

1.15µm_p-cladding Al0.4Ga0.6As 1E18

150nm_SCH GaAs

800nm_n-cladding Al0.3Ga0.7As 1E18

100nm_GRIN Al0.4Ga0.6As-Al0.1Ga0.9As_1E18 200nm_n⁺GaAs Buffer_1E18

200nm_n-cladding Al0.9Ga0.1As 1E18

圖 4-1-1 QW Rn640 磊晶結構圖與能帶示意圖

B.Rn727 三層量子井雷射

利用分子束磊晶成長，主動層(active layer)由三層量子井所組成，主動層上下各被 1µm 厚的𝐴𝑙_0.4𝐺⁡�_0.6𝐴𝑠 cladding 及150nm的 SCH GaAs 所包覆以侷限光。

1. 8nm In

_0.2

Ga

_0.8

As

2. 30nm GaAs spacer 3. 150 SCH GaAs

100nm_GRIN Al0.4Ga0.6As-Al0.1Ga0.9As_1E18~1E19 250nm_p⁺GaAs_1E19

1µm_p-cladding Al0.4Ga0.6As 1E18

150nm_SCH GaAs

1µm_n-cladding Al0.4Ga0.6As 1E18

100nm_GRIN Al0.4Ga0.6As-Al0.1Ga0.9As_1E18 100nm_n⁺GaAs Buffer_1E18

30nm_Spacer GaAs 30nm_Spacer GaAs

1 2

N-Cladding Al0.4Ga0.6As (1E18)

P-Cladding Al0.4Ga0.6As (1E18)

圖 4-1-2 QW Rn727 磊晶結構圖與能帶示意圖

C.Rn913 七層量子點雷射

利用分子束磊晶成長，主動層(active layer)由 7 層量子點所組成，並覆蓋 5nm 的 In^0.15Ga^0.85As，層與層之間以 45nm 的 GaAs 間隔，主動層上下各被 1.3µm 厚的𝐴𝑙_0.4𝐺𝑎_0.6𝐴𝑠 cladding 及150nm的 SCH GaAs 所包覆以侷限光。

1. 2.7 ML InAs QD

5nm In

_0.15

Ga

_0.85

As Capping 2. 45nm spacer

3. 150 SCH GaAs

100nm_GRIN Al0.4Ga0.6As-Al0.1Ga0.9As_1E18~1E19

50nm_ cladding Al0.4Ga0.6As _undoped 250nm_p⁺GaAs_1E19

1.25µm_p-cladding Al0.4Ga0.6As 1E18

150nm_SCH GaAs 45nm_Spacer GaAs

100nm_SCH GaAs

1.3µm_n-cladding Al0.4Ga0.6As 1E18

100nm_GRIN Al0.4Ga0.6As-Al0.1Ga0.9As_1E18 200nm_n⁺GaAs Buffer_1E18

45nm_Spacer GaAs 45nm_Spacer GaAs 45nm_Spacer GaAs 45nm_Spacer GaAs 45nm_Spacer GaAs

1 2

N-Cladding Al0.4Ga0.6As (1E18)

P-Cladding Al0.4Ga0.6As (1E18)

圖 4-1-3 QD Rn913 磊晶結構圖與能帶示意圖

4.2 實驗結果與討論

我們針對不同量子井與量子點做一系列的實驗分析與討論。一開始我們先利用 Rn640 量子井雷射做 DBR 條件的測試，再來藉由 RN727 量子井雷射做不同鏡面組合的雷射數據分析比較，進而求出其反射率，最後再將 DBR 鏡面應用於 Rn913 量子點雷射上。下圖中為實驗分析樹狀圖，藉由此圖我們可快速地了解數據分析的過程。

4.2 實驗結果分析

4.2.1 雷射特性與參數萃取

4.2.2 Rn640 單層量子井雷射

4.2.3 Rn727 三層量子井雷射

4.2.4 反射率分析計算

4.2.5 Rn727 比較分析

4.2.6 Rn913 七層量子點雷射

As cleaved 雷射分析

DBR/DBR 雷射分析

As cleaved 雷射分析

As cleaved/DBR 雷射分析

DBR/DBR 雷射分析

臨界電流密度比值法

出光比例比較法

微分量子效率倒數截距比值法

As cleaved 雷射分析

DBR/DBR 雷射分析 L-I-V 圖比較

臨界電流密度與特徵溫度對共振腔長度比較

頻譜圖比較

模態增益與共振腔長度比較

1/  _d

L

1/  _i ^slope

ⁱ

^ln(

ⁱ

¹ ⁾

R



 



4.2.1 雷射特性與參數萃取:

在製作 DBR 雷射之前，我們藉由自然劈裂鏡面的雷射萃取其雷射參數。分別量測不同長度的雷射 L-I-V 及頻譜(Spectrum)，我們可從臨界電流(I_th)及斜率效率(_s)，求得微分量子效率(differential quantum efficiency, _d)，並取其倒數對不同的雷射共振腔長度作圖。如圖所示。此直線在 L=0 的截距即為1/_i，而此直線的斜率即為 i^/



i^{ln(1/ )}R



，其中 R 為劈裂鏡面的反射率。藉由這種參 數分析，我們可以得到雷射結構的αi以及ηi，進而判斷此半導體雷射磊晶結構頇改善的方向。

圖 4-2-1.1 1/ηd對共振腔長度 L 作圖圖 4-2-1 實驗分析樹狀圖

4.2.2 Rn640 單層量子井雷射

A.Rn640 單層量子井雷射(自然劈裂鏡面):

我們把雷射分別劈裂成五種不同的長度並萃取其雷射參數，由圖 4-2-2.1 我們可以知道雷射的起始電流和斜率效率，進而計算出雷射的外部量子效率，外部量子效率倒數對共振腔長度做圖後，從擬合的直線和外部量子效率倒數的截距，

求出內部量子效率 ηⁱ為 0.70，擬合直線的斜率可以求出內部損耗 αⁱ為 4.41(cm^-1)，由g_𝑡𝑕 = 𝛼_𝑖 +_2𝐿¹ ln (_𝑅¹

1𝑅2)得到不同共振腔的增益，利用模態增益對臨界電流密度作圖，擬合不同共振腔長度的模態增益，可以得到雷射的飽和增益與透明電流密度，當共振腔寬度為 20µm 時，飽和增益與透明電流密度分別為 34cm^-1 與 176(A/cm²)。

將萃取出的雷射基本參數整理成表格後如下:

Rn640 λ (nm) αi (cm^-1) ηi gsat(cm^-1)

QWLD 961 4.41 0.70 34

圖 4-2-2.7 為臨界電流密度與共振腔長度作圖，我們亦可發現當共振腔長度減少時，臨界電流密度會上升。主要的原因是短的共振腔其鏡面損耗較大，臨界增益較高，臨界電流載子密度也因此提升。當損耗接近飽和增益時，容易逃脫主動層而產生漏電流，因此更短的共振腔所需要的臨界電流密度就會更多。

表 4-2-2.1 Rn640 雷射基本參數

47 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V)

Current (mA) L0750

Power (mW)

950 955 960 965 970

-40

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 45.0mA 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V)

Current (mA) L0500

Power (mW)

950 955 960 965 970

-40

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 065.0mA

097.5mA 130.0mA

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 1.0

Cavity length (um) Rn640_QWLD _1-layer 20^oC

10us/1ms (duty cycle=1%)

0 200 400 600 800 1000 1200

Rn640_QWLD _1-layer W:20um,20^oC

Sat. gain 34cm^-1

J_tr = 176A/cm² gmod (1/cm)

modal gain (1/cm)

Jth(A/cm²)

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 200

500 Rn640_QWLD _1-layer

W:20um,20^oC

Jth(A/cm2 )

L (um)

500 Rn640_QWLD _1-layer W:20um,20^oC

Jth(A/cm2)

1/L (1/cm)

Power (mW)

Voltage (V)

Current (mA) 500um 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Voltage (V)

Current (mA) 150um

Power (mW)

圖 4-2-2.9 較長共振腔之 LIV 圖 4-2-2.10 較短共振腔之 LIV 表 4-2-2.2 Rn640 理論模距

955 960 965

-80 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 20mA

40mA

950 955 960 965

-60 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 25mA

50mA

880 885 890 895 900

-80 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 50mA

60mA

870 880 890 900 910

-90 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 40mA

50mA

圖 4-2-2.11 共振腔長 500µm 之 Spectrum 圖 4-2-2.12 共振腔長 200µm 之 Spectrum

圖 4-2-2.13 共振腔長 75µm 之 Spectrum 圖 4-2-2.13 共振腔長 50µm 之 Spectrum

50 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V)

Current (mA) L0500um

L0750um L1000um L1250um L1500um

Power (mW)

996 998 10001002100410061008101010121014 -50

20 Rn727_QWLD_3-layers W = 10um L=500um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) I=

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 025mA

51 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW)

Voltage (V)

Current (mA) L250um

L300um L400um L500um

995 1000 1005 1010

-45 10us/1ms (duty cycle=1%) I= 15mA

30mA

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

0 50 100 150 200 250 300

Power (mW)

Voltage (V)

Current (mA) L0500um

L0750um L1000um L1250um L1500um

0 10us/1ms (duty cycle=1%)

1000 1002 1004 1006 1008 1010

-55 10us/1ms (duty cycle=1%) I=

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm) 50mA

60mA

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1.0

10us/1ms (duty cycle=1%) W: 20um

W: 10um 1/D

Cavity length (um)

0 200 400 600 800 1000

Rn727-QWLD 3-layers W:10um,20^oC

Sat. gain over 100cm^-1

Jtr = 367A/cm² gmod (1/cm)

modal gain (1/cm)

J_th(A/cm²)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 400

Rn727-QWLD 3-layers W:10um,20^oC

Jth(A/cm2)

L (um)

Jth(A/cm2)

1/L (1/cm) J_th(A/cm²)

Rn727-QWLD 3-layers W:10um,20^oC

圖 4-2-3.3 較短共振腔之 LIV W10µm 圖 4-2-3.4 較短共振腔之 Spectrum W10µm

圖 4-2-3.5 較長共振腔之 LIV W20µm 圖 4-2-3.6 較長共振腔之 Spectrum W20µm

圖 4-2-3.7 1/ηd對 L 作圖圖 4-2-3.8 W10µm 之飽和增益圖

圖 4-2-3.9 Jth對 L 作圖圖 4-2-3.10 Jth對 1/L 作圖

B.Rn727 三層量子井雷射(1-DBR 鏡面):

利用自然劈裂鏡面的雷射萃取出參數後，接下來我們將以 Rn727 比較單邊 DBR 鏡面與兩邊皆 DBR 鏡面的雷射其雷射特性與分析。其中單邊 DBR 鏡面的雷射另一端亦為自然劈裂鏡面(R=0.32)，量測過程皆由自然劈裂鏡面端進行量測，以下簡稱 1-DBR 雷射(As cleaved/DBR 雷射)。

1-DBR 雷射增加了單邊鏡面的反射率，鏡面損耗下降，因此臨界電流下降。

由 L-I-V 圖可發現當共振腔長低於 100µm 後，損耗增大開始接近飽和增益，這時產生漏電流的機率漸增，導致臨界電流愈來愈大，斜率效率隨著灌進的電流增加慢慢變小。最短的共振腔長為 50µm，臨界電流為 15.92mA。最小臨界電流發生於共振腔長為 100µm，為 9.26mA。下表列出各共振腔長之臨界電流。

cavity(µm) 450 350 250 200

Ith(mA) 17.53 14.21 10.72 9.867

cavity(µm) 150 100 75 50

Ith(mA) 9.92 9.26 9.97 15.92

圖 4-2-3.14 可以發現，由於共振腔長愈短，電流載子密度上升，必頇填至較高的能態，因此當共振腔長度縮減時，波長會有藍移的現象。圖中亦可發現，

當共振腔長度縮減至 50µm 時，其臨界電流載子密度太高，藍移的現象更為明顯。

表 4-2-3.2 1-DBR 雷射各共振腔長度之臨界電流

Power (mW)

Voltage (V)

Current (mA) 450um 10us/1ms (duty cycle=1%) 1-DBR&1-cleave

990 995 1000 1005 1010

-50 10us/1ms (duty cycle=1%) 1-DBR&1-cleave

450um-19mA 350um-14mA 250um-12mA 200um-10mA

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150

Power (mW)

Rn727_QWLD_3-layers W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) 1-DBR&1-cleave 150um

100um 075um 050um

Voltage (V)

Current (mA)

965 970 975 980 985 990 995 1000 1005 1010 -50

150um-13mA 100um-9mA 075um-19mA 050um-19mA Rn727_QWLD_3-layers

W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) 1-DBR&1-cleave

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

C.Rn727 三層量子井雷射(DBR 鏡面): 用頻譜分析確認後，研判應為製程的不均勻，使得主要模態(main mode)變換時，

光強呈現不連續的現象。

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150 0

Power (mW)

Rn727_QWLD_3-layers W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

500um 400um 300um 250um 200um

Voltage (V)

Current (mA)

990 995 1000 1005 1010

-70 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

500um-20mA 400um-17mA 300um-13mA 250um-12mA 200um-12mA

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Power (mW)

Rn727_QWLD_3-layers W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Voltage (V)

Current (mA)

0.0

990 995 1000 1005

-60 -50 -40 -30

150um-8mA 100um-10mA 075um-8mA 050um-7mA 030um-7mA Rn727_QWLD_3-layers

W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

接下來我們做了變溫的量測。由圖 4-2-3.19 至圖 4-2-3.26 可知，當操作溫度愈高，臨界電流密度愈高，內部量子效率也會愈低。共振腔長度越長，其特徵溫度越大，對溫度敏感性越低，其原因為當共振腔越長時，鏡面損耗越低，所需要的增益較小，所以 thermally escape 損失的載子並不會對增益造成嚴重的影響，因此不需要增加大量的電流來補充載子增加增益。下表即可驗證，隨著共振

Voltage (V)

Current (mA)

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Power (mW)

290 300 310 320

5.9 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

ln(Jth)

Voltage (V)

Current (mA)

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Power (mW)

290 300 310 320

6.3 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

ln(Jth)

Voltage (V)

Current (mA)

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Power (mW)

290 300 310 320

6.8 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

ln(Jth)

Voltage (V)

Current (mA)

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Power (mW)

290 300 310 320

7.4 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

ln(Jth)

285 290 295 300 305 310 315 320 325

994

1016 Rn727_QWLD_3-layers 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Peak Wavelength(nm)

T(K)

995 1000 1005 1010

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

15C-7mA 35C-9mA 20C-7mA 40C-10mA 25C-8mA 45C-10mA 30C-8mA 50C-11mA

Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

(dλ

4.2.4 反射率分析計算

反射率的高低將會影響斜率效率與臨界增益的高低，因此反射率的值是 DBR 雷射中相當重要的參數。又計算反射率的方式並不只有一種，如何算出可信的反射率是重要的課題。由於製程的不穩定，藉由不同雷射的斜率效率比較計算反射

在文檔中深蝕刻布拉格反射鏡之邊射型微共振腔半導體雷射 (頁 50-0)

Chapter 3 實驗製程與量測設計

3.4 量測系統架設

第四章 實驗結果與討論

4.1 磊晶結構:

1. 8nm In

Ga

As

2. 150 SCH GaAs

1. 8nm In

Ga

As

2. 30nm GaAs spacer 3. 150 SCH GaAs

1. 2.7 ML InAs QD

5nm In

Ga

As Capping 2. 45nm spacer

3. 150 SCH GaAs

4.2 實驗結果與討論

1/  d

L

1/  i slope

ln(

1 )

R



 







第四章實驗結果與討論

1/  _d

1/  _i ^slope

^ln(

¹ ⁾