本章節中，先介紹本實驗所採用的製程基本理論，以及面射型雷射的
四種基本結構，鋅擴散、水氧化為本論文實驗的重點，且最後簡單的探討
製成之後的VCSEL元件的光電特性。
2-1 面射型雷射的基本原理
面射型雷射有一個活化層(active layer)，活化層的增益係數為γ、
厚度為d，活化層被一對DBR(distributed Bragg reflectors)像三明治一 樣夾住，DBR 的反射率分別為R1與R2，其有效距離為L，如圖2-1 所示。
圖2-1 面射型雷射的結構
通常在一個Fabry-Perot 雷射，考慮在活化層中增益與損耗可得
2
(2-1-1)其中
1 2
入的電流密度，振動的臨界電流密度可以寫成
所以由(2-2-2),(2-2-3)可得知： 與缺陷(defect)可大幅地降低。[12]將Al0.98Ga0.02As 層暴露在350℃~500℃中 通以水蒸氣的環境中進行溼氧化製程，可以得到有好的機械強度、化學抗
16
性、絕緣性且低折射率的氧化層[13]。又因為製作VCSEL 需要多道的製程 工作，亦需要使用到較高溫的沉積或蒸鍍，AlAs 氧化層超過100℃便會有 再氧化的情況發生，而經過一些實驗報告指出：Al0.98Ga0.02As 材料便可避 免掉此種情況，隨之而來的優點是可以做較高溫的快速退火。[14]
同一個元件上有著被氧化部分與未氧化部份，所以會有開口(Aperture) 的出現，氧化侷限層的折射率約為1.6，而DBR 部分的折射率卻高達3.0 以 上，所以會出現強烈的折射率差於共振腔與其鄰近區域間[15] [16]，這也是 氧化侷限型VCSEL 的另一項過人的優點，但是也因此如圖2-4 產生了共振 腔模與氧化模同時出現[17]，也可能會互相偶合相互作用。故為了避面此一 現象發生，通常氧化層成長在位於主動層上方λ/4 處，此處也是光模分布 圖的節點位置，便可將氧化模的影響程度降至最低。
2-3 VCSE鋅擴散於DBR理論
鋅擴散於III-V 族而言是為p 型的擴散摻雜，在往年的研究報告中，使 用p摻雜的目的是高濃度的p 摻雜可使得p-type DBR串聯電阻有效地降低，
提高電洞濃度以增加電子電洞復合程度，因此可改良元件的特性。而由於 近幾年磊晶技術成長快速，在磊晶時以漸變磊晶的技術，讓能帶圖不那麼 尖銳，使得用p摻雜製程並不是那麼需要。而鋅擴散的另一個效果在VCSEL 製程應用方面發現可以降低DBR的反射率，VCSEL中DBR的基本結構是成 長明顯折射率差異的磊晶層，由於光由高折射率區域入射到低折射率區域 會產生較多的反射，而重複的堆疊λ/4 厚度的磊晶層對，產生週期性的折 射率變化，便可以達到接近100%的反射率。本實驗是用鋅擴散使得p-type DBR 內Al 原子與Ga 原子排列產生失序(Disorder)的現象，而此現象主要是 因為摻雜引發失序(IID Impurity InducedDisordering) [18]，誘使得DBR 結構 中的週期性產生混亂，如圖2-5所示，讓原本尖銳的反射率分布變得比較平 滑，致使被鋅擴散p-type DBR 區域的反射率降低[19] [20] [21]，產生光的吸 收層，經過鋅擴散部分便無法發出雷射，依此概念選擇性地對特定區域做 鋅擴散便可以達到控制模態的效果。
18
圖2- 5 經過鋅擴散後的DBR 反射率與鋅擴散深度關係
而IID 也使得自由載子的吸收係數增加，讓光損耗更多，使得增益降 低。我們便是以此概念，來讓VCSEL 主動層內產生的多模經過鋅擴散區 域，如圖2-6所示一部分被吸收，一部分放射，藉以產生單一模態的雷射。
圖2- 6 於共振腔結構中產生的多模與放射單模雷射光束示意圖
為了討論臨界增益對鋅擴散深度的關係，我們先以鋅擴散製程對自由載 子吸收率的影響來做了解
自由載子吸收率公式：[22]
αfc= (λ02e3Na)/[4π2c3nε0(mh*)2μh] (2-3-1) [23]
其中
αfc ：被鋅擴散區域內的自由載子吸收係數 λ0 ：為自由空間中的光波長
e ：一個電子電荷
Na ：受體(accepter)的濃度，假設約為5×10-19 ㎝-3 [24]
c ：光速
n ：在半導體中的折射率
20
ε0 ：自由空間中的介電常數 mh* ：電洞的有效質量
μh ：電洞的移動率
基於此式，可知自由載子吸收係數主要是由電洞的移動率μh 所決 定。所以，由圖2-7 由於P摻雜的效果與自由載子吸收的效應，兩個影響結 合起來， 可得臨界增益與鋅擴散深度的關係。
圖2- 7 經過計算的臨界增益Gth (實線)，是VCSEL 中擴散深度的函數。Gth/G0 為有鋅擴散部分之臨界增益與無鋅擴散部分臨界增益的比。光強度(虛線) 為駐波的形式。
可以觀察到在較接近表面的區域其臨界增益變化量非常急劇，但因為
大兩倍以上，所以我們擴散深度延伸到超過1μm，而因為單一基模幾乎都 Al0.98Ga0.02As，在蝕刻凸台之後將晶片放置於350℃~500℃環境下，通入水 氣，而得到一層氧化物，作為光以及電的侷限層[26]，而由於氧化物(Al-oxide)
程度較離子佈植方式來得低，所以散熱機制相對的較差，使得元件較離子 佈植型VCSEL 更易發熱，也因此可靠度較低[29]。
水氧化製程產生氧化孔徑的影響有Al 含量的多少，或是製程當中時 間、爐管溫度、爐管寬度、水氣溫度、氮氣帶水氣的流速等等因素。使得 製程條件控制不易。
2-4-2 氧化物及鋅擴散侷限之面射型雷射
氧化物及鋅擴散侷限之面射型雷射是以鋅擴散讓DBR週期性產生混
亂，致使被鋅擴散p-type DBR 區域的反射率降低，產生光的吸收層，經過 鋅擴散部分便無法發出雷射，依此概念選擇性地對特定區域做鋅擴散活性 層，然後再以水氧化製程作為電流的侷限層，如圖2-8 (b)所示。其優點是 使串聯電阻降低並改善氧化面射型雷射聚熱的缺點
2-4-3 離子佈植方式之面射型雷射
在VCSEL 平面結構中要做到電流侷限的方法之一為使用離子佈植方 式，使用離子佈植穿過上層DBR可使雷射共振腔周圍產生不導電的區域，
而未佈植的地方為導電區，可讓注入電流達到更高的電流密度。
圖2-8 (c)是典型以離子佈植方式所製作而成的VCSEL 元件，通常所使 用的離子有氫離子(H+)[30] ，氧離子(O+)，矽離子(Si+)，氮離子(N+)等， 將這些離子加速打入特定的區域，使得離子佈植所在的區域成為高電阻
域。
式傳播，雖然這是最簡單製成的結構。然而由於小的面積和蝕刻造成的
-P-DBR Oxide layer
Substrate
(a)Selective oxidation type (b) Zn diffusion - oxidation