第三章 量子點雷射中的能態轉換
4.2 量測結果與討論
4.2.3 強度對應電流分佈
利用雷射能態對電流分佈圖上所量測每一個點的雷射輸出頻譜圖，將基態與 激發態強度各自積分，並利用軟體模擬邊界，可得到雷射強度對應 I1、I2的三維 圖形，如圖 4‐11 與圖 4‐12 為 Rn102 寬度 5μm,L1=960μm, L2=500μm 的脊狀波導 雷射，各在 17oC 與 23oC 下量測所得，圖(a)為基態雷射強度分佈(b)為激發態雷射 強度分佈。
圖 4‐11 為對圖 4‐4 中每一個點的頻譜積分而得 z 軸為線性座標，(a)與(b)的 強度可互相比較，由圖(a)可明顯看出，基態強度最強的區域集中在兩截共振腔均 勻注入電流的中心線周圍，在高電流區域，基態雷射強度減弱，轉為圖(b)中的 激發態雷射主控。
因為 L1與 L2的不對稱性，使得基態與激發態雷射分佈偏離原本的對稱性，
跟著中心線轉動，值得注意的是，基態與激發態雷射互相競爭載子的消耗，使得 基態雷射會抑制激發態雷射的出現，而激發態雷射出現則減弱基態雷射的強度，
在圖 4‐4 中單獨激發態雷射的區域 c 區(d 區範圍太小而不易看到)，由於基態雷 射消失，使得原本往中心線兩側減弱的激發態雷射強度又再上升，因而除了在中 心線上為激發態雷射強度的波峰外，在單獨激發態雷射存在的區域(c 區)亦出現 一個次波峰(在圖 4‐12(b)中較為明顯)，此即我們切換基態與激發態雷射主要的激 發態雷射操作點，基態操作點即為中心線上的激發態雷射未出現的區域。
(a) GS
(b) ES
圖 4‐11 Rn102_17oC (a)基態雷射強度對應電流分佈 (b)激發態雷射強度對應電流分佈
圖 4‐12 Rn102_20oC (a)基態雷射強度對應電流分佈
(b)激發態雷射強度對應電流分佈 (a) GS
(b) ES
結論與未來展望
本研究已成功製作出可切換波長在 1.2μm 與 1.3μm 的量子點雷射，透過兩 截共振腔的設計，個別控制兩段的注入電流，利用不同的增益分配，達到可選擇 量子點基態、激發態雷射或兩者同時雷射的操作模式，並在總電流維持固定的情 況下，調配不同的電流分佈，可達到此三者的切換。在基態雷射操作方面，與一 般量子點雷射無異，而在單獨激發態雷射的操作模式，我們利用兩截共振腔長度 的不對稱性，在降低 I2並提高 I1使基態雷射消失的區域，找到另一個激發態雷射 輸出的波峰，透過雷射能態與強度對應電流分佈圖，我們更明確的了解元件的操 作條件與特性。
未來對元件進一步的探討，可針對設計上的最佳化，並改善操作方法，研究 量子點雷射在基態與激發態切換的速度等。
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附錄 A 晶片結構
A.1 Lm4378 雷射磊晶結構
晶片為利用分子束磊晶成長，主動層(active layer)由 3 層 S‐K mode 成長的自 聚 性 量 子 點 所 組 成 ， 每 層 量 子 點 密 度 在 1E11/cm2 左 右 ， 並 覆 蓋 5nm 的 In0.15Ga0.85As，層與層之間以 45nm 的 GaAs 間隔，主動層上下被 100nm 的 GaAs、
1.5µm 的 Al0.8Ga0.2As cladding layer 及 50nm 的 Grin 漸變層所包覆，用以侷限載子 和光，結構如圖 A‐1所示。
圖 A‐1 Lm4378 雷射磊晶結構圖
A.2 Rn102 / Rn103 雷射磊晶結構
利用分子束磊晶成長，主動層(active layer)由6層InAs量子點所組成，每層量 子點密度在3E10/cm2左右，並覆蓋5nm的In0.15Ga0.85As，層與層之間以40nm的GaAs 間隔，主動層上下各被100nm的GaAs、1.5µm厚，Si doped Al0.6Ga0.4As n‐cladding 與Be doped p‐cladding layer、及50nm的Grin漸變層所包覆，用以侷限載子和光，
結構如圖A‐2所示。
圖 A‐2 Rn102/103 雷射磊晶結構
附錄 B 元件製程
本實驗所使用製程步驟主要分為兩種，用以製作簡易寬面積與較窄寬度的 脊狀波導雷射，同時具有橫向光侷限與限制電流發散的作用。
B.1 傳統寬面積脊狀波導雷射
對於共振腔寬度 20µm 以上的雷射製程，流程如圖 B‐1所示：
(a) 黃光微影定義雷射條紋。
(b) 電子束蒸鍍 P‐type 電極‐蒸鍍前利用 UV O‐zone 去除殘餘光阻並用 HCl:H2O=1:1 浸泡數十秒以去除 GaAs 表面氧化物，蒸鍍 Ti/Pt/Au 分別為 30/30/160nm。
(c) 掀去光阻與金屬，利用金屬做為 mesa etching 的 etching mask，蝕刻掉 p+的 contact layer 與大部分的 p‐cladding，約 1.2µm 左右，為 self‐align 的製程。
(d) 將晶片被面磨薄約至 200µm，去除 GaAs 表面氧化物，蒸鍍 N‐type 背電極 Ni/Ge/Au=30/70/160nm，在 420oC 下進行快速熱退火(RTA)30 秒，再劈裂後 即完成雷射製程。
(a) (b)
(c) (d)
圖 B‐1 傳統寬面積脊狀波導雷射製程
B.2 脊狀波導雷射
在共振腔寬度 5µm 的製程，必須額外設計 contact pad 以方便量測，製程流 程如圖 B‐2所示：
(a) 黃光微影‐1 定義雷射條紋。
(b) 電子束蒸鍍 P‐type 電極‐蒸鍍前利用 UV O‐zone 去除殘餘光阻並用 HCl:H2O=1:1 浸泡十數秒以去除 GaAs 表面氧化物，蒸鍍 Ti/Pt/Au 分別為 30/30/160nm。
(c) 掀去光阻與金屬，利用金屬做為 mesa etching 的 hot mask，蝕刻掉 p+的 contact layer 與大部分的 p‐cladding，為 self‐align 的製程。
(d) 300oC PECVD 沈積 Si3N4 10nm 做為絕緣層。
(e) 黃光微影‐2，並利用 ICP 蝕刻 Si3N4開 via。
(f) 黃光微影‐3，定義 contact pad 圖形。
(g) 蒸鍍金屬 Ti/Au=30/100nm，掀去光阻與金屬。
(h) 將晶片被面磨薄約至 200µm，去除 GaAs 表面氧化物，蒸鍍 N‐type 背電極 Ni/Ge/Au=30/70/160nm，在 420oC 下進行快速熱退火(RTA)30 秒，再劈裂後 即完成雷射製程。
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h)
圖 B‐2 脊狀波導雷射製程
附錄 C 量測系統
在量測兩截共振腔結構中，我們利用可變電阻將單一輸入電流分流並用 current probe 分別監控兩段的輸入電流，調變兩段的增益值，亦可利用兩信號源 分別控制，圖 2‐3‐1 為雷射輸出頻譜量測系統，用光纖將雷射的輸出光訊號傳送 到頻譜儀，再經由電腦讀取，紀錄兩段不同電流下 GS 與 ES lasing 的情形。而 time domain 量測則直接將光纖接至 High‐Speed Detector 轉成電訊號至高速示波器中 觀察。圖 2‐3‐2為量測一般雷射 L‐I 特性曲線量測系統，將雷射二極體置於樣品金 屬座上，驅動電流藉電壓源經探針注入二極體，二極體所發的光被光偵測器吸收 後，轉換成光電流並傳到訊號平均器(Boxcar average)做平均，最後光電訊號經 GPIB 介面傳到電腦中做資料處理及儲存。
圖 C‐1 L‐I 特性曲線量測系統
圖 C‐2 雷射輸出頻譜量測系統