半導體量子點雷射之研究
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(2) 半導體量子點雷射之研究 Studies of Semiconductor Quantum Dot lasers. 研 究 生：楊仁盛. Student：Jen-Sheng Yang. 指導教授：李建平 博士. Advisor：Dr. Chien-Ping Lee. 國 立 交 通 大 學 電子工程學系電子研究所 碩 士 論 文. A Thesis Submitted to Department of Electronics Engineering College of Electrical Engineering and Computer Science National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in Electronics Engineering June 2005 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十四年六月. ii.
(3) 半導體量子點雷射之研究 學生：楊仁盛. 指導教授：李建平. 博士. 國立交通大學 電子工程學系. 電子研究所碩士班. 摘要 本實驗以InAs/GaAs材料做成自聚性的量子點，形成量子點雷射的主動層。在雷 射製程方面我們利用氧化的方式，將高Al含量的上覆蓋層(cladding layer)氧化， 形成脊狀結構(ridge structure )雷射，其同時具有電流侷限與光侷限的功能，而 在製程上其自我對準的特性(self-align)，具有簡化製程步驟的優點。 實驗中，我們對不同的雷射樣品做量測，均觀察到基態(ground state，GS)與激 發態(excited state，ES)同時雷射的現象，並且觀察到基態與激發態的臨界電流比 值IthES/IthGS對共振腔長度(cavity length)與溫度的相依性，另外我們也估算得樣品 lm4354 與lm4378 的intrinsic relaxation time 分別為τ0 ~ 40ps 與 4ps ，其中 2. lm4354 雷射樣品具有極低的透明電流密度Jtr~6A/cm (per layer)，追平目前已知文 獻上所記載的紀錄[1]。. 另外我們也觀察到 ES 波峰先出現，電流持續增加，GS 波峰隨後才出現的情形， 這與一般觀察到的波峰出現順序有所不同，我們也針對此現象作定性的解釋。. iii.
(4) Studies of Semiconductor Quantum Dot lasers Student: Ren -Sheng Yang. Advisor: Dr. Chien-Ping Lee. Department of Electronics Engineering and Institute of Electronics National Chiao Tung University. Abstract The laser structures under investigation are grown by molecular beam epitaxy(MBE) in a separate confinement heterostructure (SCH) geometry with the active region based on three layers of self-assembled InAs quantum dots. For laser diodes, the stripes are used to mask etching of shallow mesas and expose the top surface of the Al0.8Ga0.2As upper confining layer for thermal oxidation . The thermal oxidation of AlxGa1-xAs layers with high Al content in water vapor forms a stable oxide which is suitable for current and optical confinement in laser structures . We also demonstrate simultaneous lasing at two well-separated wavelength in self-assembled InAs quantum-dot lasers, via the ground-state(GS) and excited-state (ES) transitions. The effect strongly depends on the cavity length and temperature .The intrinsic relaxation time of samples lm4354 and lm4378 are 40ps and 4ps , respectively. Lm4354 2 lasers show very low transparency current densities of 6 A/cm per dot. layer，and it is almost the best record presently . Finally, we discuss the phenomena in which ES and GS peak appears . This is very different with the generous cases that GS peak appears first. We explain this behavior qualitatively .. iv.
(5) 致謝 時光回遡到兩年前，張至揚學長引領我去面見老師，當時的我因為生性膽怯 並沒有太多的提問，不過老師以爽朗的笑容和風趣的談話讓我為感覺到老師果然 具有一代宗師的風範。時光轉眼流逝，兩年已經過去，這些日子以來，老師不只 拓展我在知識上的視野，更讓我明白要成為好的研究者所應該具備的熱情及做事 態度。論文的完成，我最感謝老師的身教以及言教。 . 感謝王興燁學長長試片給我，並且與我討論雷射方面的問題，帶我一起解決. 多項難題。學長對研究的衝勁與幹勁諸多受到學弟的景仰。 感謝李秉奇與林志昌學長時常與我們討論研究上所遇到的問題，並且對學弟 們的生活與感情也上多有關心和照顧，也祝福你們早日覓得良緣；感謝林國瑞學 長給予學弟多方面的指導與幫助，並且幫助我克服許多研究上的瓶頸；感謝 MBE 超強團隊、李秉其、林志昌、王興燁、羅明成、淩鴻緒、林大均、對我們實驗室 付出的心血與努力，使我們實驗室日漸蓬勃壯大、欣欣向榮。 卡緒、大雄、阿福，我們是同梯的的伙伴，在這兩年裡面，我們每個人都非 常努力，並且相互幫助與扶持，終於等到開花結果的一天。在人生的這個階段， 我們相互鼓勵，也希望在未來能互相提攜。感謝宗樺學弟，願意分擔我的工作， 幫助我順利完成論文。感謝清揚學弟熱情的與我討論，助我良多。 依玲，感謝你在我落寞或是失意的時候逗我開心，有了妳的支持，相信在未 來我會走的更穩健踏實。 感謝我的父母與家人，你們的支持讓我無後顧之憂，有了你們的支持我的所 作所為才具有意義。. v.
(6) 目錄 第一章. 簡介.............................................01. 第二章. 基本概念.........................................03 2.1 雷 射 特 性 ......................................03 2.2 量 子 點 與 量 子 點 雷 射 的 基 本 特 性 ..................05 2.3 速 率 方 程 式 (rate equations)....................07 2.4. 第三章. III-V 族 半 導 體 的 氧 化 成 長 .....................09. 半導體雷射製程與量測.............................14 3.1 雷 射 之 磊 晶 結 構 … … … … … … … … … … … … … … … … 14 3.2 量 子 點 雷 射 二 極 體 製 程 … … … … … … … … … … … … … 14 3.3 雷射特性量測系統 …………………………………………………17. 第四章. 量測結果與討論 ……………………………………………………24 4.1 lm4378 寬面積雷射資料與參數……………………………………24 4.2 lm4354 寬面積雷射資料與參數……………………………………27 4.3 氧化製程脊狀結構雷射…………………………………………….29 4.4 激發態波峰先出現，接著基態波峰才出現…………………………30. 第五章. 結論…………………………………………………………………….53. 參考資料………………………………………………………………………….54. vi.
(7) 圖目錄 圖 1-1 量 子 結 構 雷 射 起 始 電 流 的 發 展 。 圖 2-1(a)各 種 量 子 侷 限 結 構 之 能 態 密 度 函 數 。 (b)理 想 情 況 下 之 量 子 點 電 子 濃 度 分 佈 。 (c)考 慮 inhomogeneous broaden 下 的 電 子 濃 度 分 佈 。 圖 2-2 增益隨電流變化之關係圖。 圖 2-3 (a)Jth=GS component + ES component， (b)作Jth對 q做圖利用eqn(2a)做擬合。 -1 圖 2-4 ηD 對L做圖，利用方程式 2.7(a)(b)做擬合。. 圖 3-1 lm4354 能帶結構圖。 圖 3-2 lm4378 能帶結構圖。 圖 3-3 氧化之脊狀雷射結構 SEM 圖。 圖 3-4 氧化之脊狀雷射結構示意圖。 圖 3-5 脊狀結構製程流。 圖 3-6 氧化製程的爐管配製圖。 圖 3-7 氧化速率量測。 圖 3-8 氧化 SEM 圖。 圖 3-9 LI 曲線量測系統圖。 圖 3-10 (a)雷射輸出光譜量測系統圖。 (b)I-V 曲線量測系統圖。 圖 4-1(a)lm4378 LI-curve，W=20um，L=1.4mm。. vii.
(8) (b)lm4378 之頻譜量測，對應 4-1(a)的 LI-curve。 圖 4-2 所示為 lm4378 的 LI-curve。 L=(a)1.1mm(b)1.2mm(c)1.3mm(d)1.4mm(e)1.5mm。針對不同的 L，做變溫量測。 圖 4-3 定性解釋IthES/IthGS比値隨共振腔長度增加而增加。 圖 4-4(a) 對ηD-1-L圖，作線性分析。 圖 4-4(b) 利用方程式 2.7(a) 對ηD-1-L圖做擬合。 圖 4-4(c)，利用方程式 2.6(a)對 Jth-q 圖做擬和 。 圖 4-5，lm4354 LI-curve(a)L=1.7mm， 圖 4-5，lm4354 LI-curve(b)L=2.0mm， 圖 4-5(c)L=2.0mm， 2. 圖 4-5(d)L=3.0mm。Jth<10A/cm 。 圖 4-6 所示為 lm4354 的 LI-curve。 L = (a)1.7mm，(b)2.0mm，(c)2.5mm，(d)3.0mm，(e)3.5mm。針對不同的 L，做 變溫量測。 圖 4-7(a)4354 頻譜，L=1.7mm，W=20um，T=20℃。 圖 4-7(b)4354 頻譜，I=200mA->340mA 圖 4-8(a)lm4354， 對ηD-1-L圖，作線性分析。 圖 4-8(b) 利用方程式 2.7(a) 對ηD-1-L圖做擬合 。 圖 4-9，利用方程式 2.6(a)對 Jth-q 圖做擬合。 圖 4-10(a)氧化結構雷射截面圖，L=2.5mm，W=17um 圖 4-10(b)氧化結構雷射截面圖，L=2.5mm，W=7um. viii.
(9) 圖 4-11， 對 應 圖 4-10 的 LI-curve， 並 且 附 上 對 應 的 發 光 波 長 。 圖 4-12， L=5.0mm， W=7.5um， 雷 射 維 持 在 GS-lasing。 圖 4-13(a)， 4378 脊 狀 結 構 雷 射 頻 譜 ， 圖 上 分 別 為 20℃ 與 25℃ 的 量 測。 圖 4-13(b)電 流 在 104mA~190mA 區 間 ， 兩 個 波 峰 均 維 持 穩 定 的 存 在 。 圖 4-13(c)電 流 持 續 增 加 直 到 最 後 基 態 波 峰 逐 漸 消 失 。 圖 4-14， 在 電 流 增 加 的 情 況 下 ， 總 損 耗 下 降 ， 於 是 在 ES-lasing 發 生 後 ， 有 機 會 讓 GS-lasing 接 著 發 生 。 圖 4-15 該 元 件 SEM 影 像 。 圖 4-16（ a） 溫 度 降 到 12℃ 與 16℃ ， 重 新 量 測 該 元 件 之 雷 射 頻 譜 。 圖 4-16(b)， 承 上 圖 電 流 加 到 97~153mA 圖 4-16(c)， 基 態 波 峰 在 高 電 流 下 逐 漸 消 失 。 圖 4-17， 在 溫 度 由 20℃ 降 到 16℃ 的 情 況 下 ， f G S 值 增 加 ， 因 此 有 較 高 的 G G S 值 ， 於 是 在 低 溫 的 情 況 下 G G S 大 於 總 損 耗 ， 因 此 轉 為 GS 先雷射。. ix.
(10) 第一章 簡介 量子點雷射是量子點結構中最重要的應用之一，量子點雷射原本稱作量子箱 (quantum-box laser)雷射，是由Arakawa和Sakaki在1982年時首次做出，在量子 點中，電子和點洞的三個維度都被侷限(confinement)，這使我們相信可以有效 的改進半導體雷射的特性。. 以量子點當作主動層的半導體雷射，稱為量子點雷射，由於是三維方向都被 侷限的情況，理論上會有分離(discrete)的能態密度(density of state)，高的 差動增益(differential gain)。量子點雷射相較於量子井元件有以下的優點︰ (1)低透明電流密度(low transparency current density)與低起始電流密度 (low threshold current density )[2] ， (2) 高 特 徵 溫 度 (characteristic temperature). [3][4]. ，(3)窄的光譜，和 (4)大調變頻寬(modulation bandwidth)。，. 綜合以上優點，可預期量子點雷射在未來會有很好的產品發展。. 本實驗我們以InAs/GaAs材料拿來做成自聚性的量子點，主要是因為這種量 子點所發出來的波長可以在1.3µm附近，對於玻璃光纖來說，會有最小的色散 (dispersion)，應用在光纖通訊的領域中，應該會有很好的發展潛力。. 在雷射製程方面我們利用氧化的方式，將高Al含量的上覆蓋層(cladding layer)氧化，形成脊狀結構(ridge structure )雷射，其同時具有電流侷限與光 侷限的功能，而在製程上其自我對準的特性(self-align)，具有簡化製程步驟的 優點。 實驗中，我們對不同的雷射樣品做量測，均觀察到基態(ground state，GS) 與激發態(excited state，ES)同時雷射的現象，並且觀察到基態與激發態的臨 界電流比值IthES/IthGS對共振腔長度(cavity length)與溫度的相依性，另外我們也 估算得樣品lm4318 與lm4354 的intrinsic relaxation time 分別為τ0 ~ 4ps 與 1.
(11) 40ps ，其中lm4354 雷射樣品具有極低的透明電流密度Jtr~6A/cm2(per layer)， 追平目前已知文獻上所記載的紀錄[1]。如圖 1-1 所示為量子結構雷射起使電流的 發展，在本實驗中(2005 年)已達到起使電流密度小於 10A/cm2。. 另外我們也觀察到激態波峰先出現，電流持續增加，基態波峰隨後才出現 的情形，這與一般觀察到的波峰出現的順序有所不同，我們也針對此現象作定性 的解釋。. 圖 1-1 量 子 結 構 雷 射 起 始 電 流 的 發 展 。. 2.
(12) 基本概念 2.1 雷 射 特 性. . 我 們 可 以 經 由 量 測 LI 曲 線 萃 取 其 參 數 來 辨 別 雷 射 的 好 壞 ， 首 先. 我們對這些特性及參數做一些介紹。 起 始 電 流 密 度 (Threshold Current Density) 雷 射 形 成 的 首 要 條 件 ， 是 要 外 加 電 壓 使 準 費 米 能 階 (Quasi-Fermi Level)分 開 到 大 於 可 被 激 發 的 光 子 能 量 [(E F C -E F V ) > h ν ]， 使 受 激 輻 射 率 大 於 吸 收 率 而 產 生 增 益 (Gain， G)，當 增 益 能 夠 克 服 總 損 耗 (total loss) 時，即 達 到 雷 射 的 共 振 條 件。其 發 光 的 機 制 ， 由 自 發 性 的 發 光 (spontaneous emission) ， 轉 變 成 為 激 發 性 發 光 (stimulated emission) 為 主 時 ， 外 加 電 場 對 雷 射 所 產 生 的 電 流 I t h ， 就 稱 之 為 起 始 電 流 (Threshold Current)， 而 起 始 電 流 密 度 則 定 義 為 J th =. I th WL. 其中 W 為雷射條紋的寬度，L 則是雷射共振腔的長度。 差 額 量 子 效 率 (Differential Quantum Efficiency) 當少數載子注入活性層後，會與多數載子經輻射性復合 (Radiative Recombination) 產 生 光 子 ， 或 經 非 輻 射 性 復 合 ( Non radiative Recombination)造 成 損 失 ， 載 子 在 活 性 層 內 產 生 出 光 子 的 比 例 ， 稱 做 是 內 在 量 子 效 率 ， η I (internal quantum efficiency)， 又 所 產 生 的 光 子 經 持 續 放 大， 達 到 共 振 條 件，形 成 雷 射， 此 一 外 加 的 差 額 能 量 所 產 生 的 光 子，一 部 份 抵 銷 內 部 損 耗，一 部 份 在 鏡 面 中 穿 透. 3.
(13) 形成雷射光輸出，所以我們可以將雷射輸出的功率表示為 ∆Pext ( I − I th − ∆I L ) 1 Pout = • hν • • ηi • ∆Pext + ∆Pint q 2 其 中 h是 普 郎 克 常 數 ， Δ I L 為 漏 電 流 ， 是 隨 I上 升 的 增 加 項 ， 另 因 半 導 體 雷 射 兩 面 均 能 輻 射 光 ， 故 乘 以 (1/2)。 接下來我們定義差額量子效率，或稱做是外在量子效率 (external quantum efficiency)︰. ηD =. 單位時間射出之總光子差額 單位時間注入之總電子差額 1 ln R = ηi • L 1 α i + ln R L. ∆Pext = ηi • ∆Pext + ∆Pint. 將 P o u t 對 I做 微 分 ， 並 帶 入 上 面 的 結 果 ， 可 以 得 到. ηD = 其中. dL dI. 2q dPout 1.24 dL = hν dI λ dI. 稱 為 slope efficiency 。. 從 上 式 可 以 得 到 ， 在 我 們 量 得 的 L-I曲 線 ， 大 於 起 始 電 流 後 的 曲 線 斜 率 ，只 和 差 額 量 子 效 率 ， 相 差 了 一 個 常 數 項 ，因 此 我 們 可 以 直 接 藉 由 測 量 L-I特 性 曲 線 ， 來 觀 察 雷 射 的 這 項 特 性 。 並 從 η D 對 1/L的 作. 圖 可 求 α i 與 η i 。 α i 是 光 行 進 中 在 雷 射 內 部 的 損 失 (internal loss)， 包 括 了 自 由 電 子 吸 收 (Free-carrier absorption)， 介 面 及 不 規 則 結 晶 層 (Nonplanar Imperfection. in. the. Heterstructure. Dielectric. (Scattering)。. 4. Interface. and. Layers) 所 造 成 的 散 射.
(14) 2.2 量 子 點 與 量 子 點 雷 射 的 基 本 特 性 目 前 量 子 點 的 結 構 多 採 用 SK(Stranki-Krastanov)模 式 自 聚 性 (self-assembled)量 子 點 成 長 ， 這 種 成 長 是 發 生 在 界 面 能 低 ， 但 晶 格 常 數 有 很 高 的 不 匹 配 (lattice mismatch)的 兩 材 料 間 ， 通 常 兩 種 材 料 間 的 晶 格 不 匹 配 會 使 磊 晶 受 到 張 力，但 因 為 有 較 低 的 界 面 能，剛 開 始會以層狀結構方式長晶，若磊晶厚度高於張力所能承受的臨界厚 度 ， 薄 膜 會 破 裂 而 產 生 缺 陷 ， SK 模 式 自 聚 性 量 子 點 成 長 ， 其 特 點 就 是 在 薄 膜 破 裂 前 ， 島 狀 物 剛 形 成 時 ， 即 停 止 成 長 磊 晶，這 樣 可 得 到 無 缺 陷 的 量 子 點，因 此 會 有 較 佳 的 光 電 特 性，目 前 常 見 的 自 聚 性 量 子 點 有 第 四 族 的 鍺 (Ge)成 長 於 矽 (Si)，三 五 族 的 砷 化 銦 (InAs)成 長 於 砷 化 鎵 (GaAs)及 二 六 族 的 硒 化 鎘 (CdSe)成 長 於 硒 化 鋅 (ZnSe)等 。. 量子點是將電子侷限在零維空間內，其最大的好處在於其能階成 不 連 續 分 佈，和 電 子 及 電 洞 的 波 涵 數 重 疊 在 一 起，能 階 不 連 續 使 其 能 態 密 度 (density of state)成 delta function 分 佈 ， 在 固 定 的 能 態 時，有 最 大 的 效 率。但 實 際 在 長 量 子 點 時，量 子 點 的 大 小 是 不 均 勻 的， 所 以 做 出 的 元 件 並 不 像 理 論 值 一 般 完 美。而 量 子 點 所 發 出 的 光 譜，主 要 由 量 子 點 的 大 小 和 形 狀 來 控 制。就 大 小 尺 寸 來 說，量 子 點 的 高 度 主 要 決 定 了 基 態 發 光 的 波 長，橫 向 的 尺 寸 主 要 決 定 基 態 及 激 發 態 之 間 的 能 量 差 ， 所 以 控 制 strained layer 磊 晶 條 件 ， 就 可 以 控 制 基 態 和 激 發態之間的能量差。. 本 實 驗 是 用 分 子 束 磊 晶 (MBE)的 方 法 ， 長 成 InAs/GaAs 自 聚 性 量 子 點 ， 波 長 介 於 0.98 到 1.8um 之 間 ， 在 應 用 上 可 以 製 作 光 纖 通 訊 所. 5.
(15) 需 之 1.3µm。 量 子 點 能 階 呈 不 連 續 分 佈，其 能 態 密 度 成 delta function 分 佈 ， 如 圖 2-1(a)所 示， 這 可 以 讓 量 子 點 雷 射 有 很 低 的 起 使 電 流 及 很 高 的 特 性 溫 度 。 而 圖 2-1(b)所 示 ， n( E ) = g ( E ) f ( E ). 電 子 濃 度 分 佈 主 要 由 其 能 態 密 度 函 數 與 Fermi-Dirac distribution 所 決 定，在 基 態 與 激 發 態 能 階 上 均 有 電 子 濃 度 分 佈。而 電 子 濃 度 分 佈 則 對 應 到 我 們 所 關 心 的 增 益 函 數 (gain function)分 佈 。 在 實 際 的 情 況 下，自 聚 性 模 式 所 長 出 來 的 量 子 點 大 小 與 形 狀 並 不 會 完 全 一 致，有 一 定 程 度 的 不 均 勻 性，如 圖 圖 2-1(c)所 示，其 造 成 能 態 密 度 函 數 在 能 量 軸 上 具 有 一 定 程 度 的 分 佈 範 圍 ， (一 般 inhomogeneous line-width 約 30~50meV)， 對 應 地 ， 基 態 與 激 發 態 具 有 各 自 的 增 益 波 峰 ， 其 大 小 與分佈除了與能態密度函數有關之外，也和溫度與偏壓大小有關。. 量 子 點 雷 射 基 態 所 供 應 的 能 階 位 置 (sites)有 限 ， 因 此 其 增 益 會 達到飽和， GGS=GGS. sat. (2fGS-1)[5]. GGS代表基態增益，GGSsat為基態飽和增益，f G S 是 基 態 的 能 階 位 置 填 充 率 (the occupancy of the QD ground state)， 其 中 GGSsat與 量 子 點 的 密 度 有 直 接 的 關 係 ， 一 般 的 量 子 點 密 度 落 於 10 1 0 ~10 1 1 之 間 ，其 對 應 的 基 態 飽 和 增 益 值 則 約 為 4~5 ㎝ - 1 ， 而 本 實 驗 的 所 使 用 的 雷 射 均 為 三 層 的 量 子 點 結 構 ， 對 應 的 GGSsat值 約 落 在 12~15 ㎝ - 1 。 當 f G S 值 等 於 1 時 ， GGS=GGSsat，但 6.
(16) 一般的情況下f G S 值 會小於 1，其最大可達的填充率f G S m a x 與溫度有關。如圖 2-2 所示，在基態增益達飽和的情況下，即使持續增加電流，益無法使之克服總損耗， 因此對較短的共振腔來說，只有激發態增益能在較高電流的情況下能夠克服總損 耗達到雷射共振條件。. 2.3 速 率 方 程 式 (rate equations). [5]. 我們試圖去估算intrinsic relaxation time，以下我們參考Zhukov等人在 中所提出的 Rate equations:. dNES / dt = J / e − N ES /τ + NGS /τ e .............................................(2.1a) dNGS / dt = N ES /τ − NGS /τ GS − NGS /τ e − dS / dt =. (c / nr )GGS (S / A).......(2.1b) 1 − εS. (c / nr )GGS S − S /τ ph .....................................................(2.1c) 1 + εS. 對應之關係如下圖所示:. J/e NES τ. τe NGS. NGS/τGS. NES/τES. 其中 J: injection current density NES :the carrier density on ES level NGS: the carrier density on GS level 7.
(17) τES :the recombination lifetime on ES τGS :the recombination lifetime on GS τ: the relaxation time τe : the thermoionic emission time from GS GGS: the modal gain for the GS lasing ε: the nonlinear gain coefficient A: the area of active region S: the number of photon in the cavity τph : the photon lifetime in the cavity 配合下列之假設: sat. GGS=GGS (2fGS-1). (2.2) sat. 其中基態增益 ， GGS為fGS的函數，當fGS=0.5 時，GGS為零，當fGS=1 時，GGS=GGS 。 NGS=2nQDfGS. (2.3). NGS益為fGS的函數，其中nQD是量子點的密度，乘 2 代表每各量子點的 GS. 能階可. 填兩個電子。 (τ). -1. =(1-fGS)(τ0). -1. (2.4). 其 中 τ 稱 為 relaxation time， f G S 是 the occupancy of the QD ground state， τ 0 稱 為 intrinsic relaxation time， 當 f G S 等 於 零 ， τ =τ 0 。 由 rate equation(2.1c)可得 (τph). -1. =(c/nr) α. 8. (2.5).
(18) 其中α= αi +αm 稱為總損耗(total loss)。 GS. 考慮steady state的情況，配合上述的假設，可推導出GS的臨界電流密度Jth JthGS=J0(1+q)+J1(1+q)/(1-q). (2.6a). J0= (enOD)/ τGS. (2.6b). J1= J0(2 τ0 / τES)(1+ τGS / τe). (2.6c). 其中. sat. q = α/GGS. (2.6d). q 稱為 the normalized optical loss 當 q=0, JthGS =J0 + J1 =Jtr(transparency current)，因此，由實驗數 據作JthGS對 q做圖利用eqn(2a)做擬合，可得到雷射參數Jtr、τe(若τ0 、 τ ES、τGS已知，一般情況可假設τES、τGS~1ns)，如圖 2-3(a)(b)所示 考慮基態雷射所發出的光，由ηD=(2e/hv)(dPout/dI)可得到 ηD. = ηi(q) (1-qin/q). (2.7a) 其中 ηi(q) = [1+(2τ0/τES)/(1-q)]. -1. (2.7b). 其中internal quantum efficiency、ηi是loss q的函數。 當我們設定τES = 1ns ，則τ0 是唯一需要擬合估算的參數 。如圖 2-4 所示。. 2.4. III-V 半導體的氧化成長. 在雷射製程方面我們利用氧化的方式，將高Al含量的上覆蓋層(cladding layer)氧化，形成脊狀結構(ridge structure )雷射，其同時具有電流侷限與光 侷限的功能，而在製程上其自我對準的特性(self-align)，具有簡化製程步驟的 [6]~[9]. 優點。. 9.
(19) 氧化速率與Al的含量有關，隨著Al含量增加，氧化速率也會指數式的增加， 因此可利用調變Al含量，做選擇性的氧化(oxidation selectivity)。此外亦有 研究指出氧化速率與異質結構介面(heterointerface structure )造成的應力 (stress)有關。[10][11] 由本實驗的量測結果所示氧化速率為線性成長定律(linear growth law)， 在許多參考資料中均有討論氧化速率的動態機制，真對在不同的條件下，氧化速 率可能遵循線性成長定律或拋物線成長定律(parabolic growth law)，在相對低 溫氧化時間不長的情況下，氧化速率主要受限於反應速率(reaction rate )，此 時遵循線性成長定律，然而，在時間較長或是相對高溫之下，通過氧化層的擴散 速率則成為主宰的機制，此時遵循拋物線成長定律。[12] 在本實驗中利用了AlGaAs中AlAs成分和水氣做氧化反應，氧化的反應式及其自由 能(free energy)如下:[13] 初反應式. 自由能[kJ/mole]. 2 AlAs + 3 H 2 O = Al 2 O 3 + 2 As + 3 H 2 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .. − 451 2 AlAs + 4 H 2 O = 2 AlO ( OH ) + 2 AsH 3 .......... .......... .......... .......... .......... .......... . − 404 2 AsH. 3. = 2 As + 3 H 2 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ − 153. 2 AsH. 3. + 3 H 2 O = As 2 O 3 + 6 H 2 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... . − 22. As 2 O 3 + 3 H 2 = 2 As + 3 H 2 O .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ...... − 131. 最終反應式. 自由能[kJ/mole]. 2 AlAs + 3H 2 O = Al 2 O3 + 2 As + 3H 2 ............................................................... − 604 2 AlAs + 4 H 2 O = 2 AlO (OH ) + 2 As + 3H 2 ........................................................ − 557. 10.
(20) 圖 2-1(a)各 種 量 子 侷 限 結 構 之 能 態 密 度 函 數 。. 圖 2-1(b) 理 想 情 況 下 之 量 子 點 電 子 濃 度 分 佈 。 (c) 考 慮 inhomogeneous broaden 下 的 電 子 濃 度 分 佈 。. 11.
(21) 圖 2-2，增益隨電流變化之關 係圖。. 圖 2-3(a)， Jth=GS component + ES component (原圖來自參考資料 5). 圖 2-3(b)，作Jth對 q做圖利用 eqn(2a)做擬合。(原圖來自參 考資料 5). 12.
(22) 圖 2-4 ，ηD-1對L做圖，利用方程式 2.7(a)(b)做擬合。 (原圖來自參考資料 5). 13.
(23) 第 三 章 半導體 雷射製程與量 測 3. 1 雷 射 之 磊 晶 結 構 晶片的成長是使用分子束磊晶法(Molecular beam epitaxy ; MBE )，磊 晶結構如圖 3-1、3-2 所示，試片編號分別為LM4378 與LM4354。LM4354 主動層結 構為三層的量子點，每層的量子點密度約在 2×1010左右，整體結構包含了兩個 AlGaAs覆蓋層(Cladding layer)以及一個夾在GaAs隔離層(Spacer layer)中的主 動層。而高Al含量的覆蓋層，是為了提高氧化速率，Al的含量與氧化速率的關係 呈指數式成長。試片LM4378 的主動層為dot-in-well結構。. [14]. 3. 2 量 子 點 雷 射 二 極 體 製 程 本 實 驗 分 為 兩 種 製 程 方 式 :一 、 寬 面 積 (broad area )雷 射 二 極 體 的 製 程，是 沿 用 實 驗 室 學 長 所 傳 下 來 的 步 驟，本 實 驗 中 所 提 及 的 寬 面 積 雷 射，共 振 腔 寬 度 均 為 20um；二、脊 狀 波 導（ Ridge-waveguide） 結 構 ， 同 時 具 有 index guiding 以 及 限 制 電 流 發 散 的 功 能 。 在 此 我 們 成 功 的 利 用 氧 化 的 製 程 方 式，來 製 作 脊 狀 結 構 的 雷 射 二 極 體，如 圖 3-3 與 圖 3- 4 所 示。主 要 是 利 用 高 Al 含 量 的 上 覆 蓋 層 (upper cladding layer) 在 氧 化 之 後 ， 形 成 自 然 的 絕 緣 阻 擋 層 ， 其 具 有 自 發 性 對 齊 (self-align)與 良 好 的 光 波 導 侷 限 等 優 點 圖 3-5 為 製 程 流 程 圖 ， 製 程 說 明 如 下 ，. 最初清潔 由 於 我 們 所 使 用 的 晶 片，是 由 MBE 所 長 的 晶 片， 非 常 的 乾 淨， 並 14.
(24) 不 需 要 繁 雜 的 潔 淨 步 驟 ， 初 步 的 潔 淨 步 驟 將 晶 片 先 泡 在 丙 酮 (ACE) 中 ， 再 用 去 離 子 水 (D.I. Water)沖 洗 ， 氮 氣 槍 吹 乾 。. 微影製程 首先去水烘烤，去除晶片上水氣。接著旋轉覆蓋上光阻，軟烤。 曝 完 光 後 ， 使 用 的 顯 影 液 為 AZ6112， 之 後 用 去 離 子 水 定 影 。. 蝕刻 在 雷 射 條 紋 做 出 後 ，我 們 將 未 覆 蓋 光 阻 的 地 方 蝕 刻 約 10 秒 到 20 秒 ， 目 的 在 於 蝕 刻 掉 表 面 的 歐 姆 接 觸 層 (p+ contact layer)使 得 高 Al 含 量 的 上 覆 蓋 層 能 夠 裸 露 出 來 以 便 下 一 步 的 氧 化 製 程 進 行。我 們 用 的 蝕 刻 溶 液 是 硫 酸 水 溶 液 。在 蝕 刻 完 成 之 後 ，應 該 立 即 做 氧 化 製 程， 確 保 表面潔淨且沒有原生氧化層形成。 氧化 爐 管 設 置 如 圖 3-6 所 示，首 先 將 爐 管 升 溫 至 480℃，在 升 溫 的 過 程 中， 通 入 氮 氣 目 的 在 於 潔 淨 爐 管 內 部 環 境。為 了 避 免 水 蒸 氣 在 傳 輸 的 過 程 中 凝 結，我 們 必 須 在 管 路 上 纏 上 加 熱 帶，爐 管 兩 側 的 加 熱 帶 溫 度 以 不 超 過 200℃ 為 原 則 ， 水 瓶 (bubble)出 口 處 的 加 熱 帶 以 不 超 過 150℃ 為 原 則 ， 避 免 因 溫 度 過 高 而 融 掉 導 氣 管 。 而 水 溫 則 控 制 在 92℃ (以 不 超 過 95℃ 為 原 則 ， 以 免 水 達 到 沸 騰 ， 而 衝 爆 瓶 塞 。 ) 在 溫 度 條 件 達 到 穩 定 時 ， 關 閉 氮 氣 ， 開 始 引 入 水 蒸 氣 (流 速 控 制 在 1.5l/min)， 由 參 考 資 料 [10]可 知 只 要 氮 氣 流 速 超 過 60 升 /hr，氧 化 速 率 及 與 氮 氣 流 速 無 關 。 接 著 緩 慢 的 將 sample 送 入 爐 管 。 我 們 已 經 測 試 出 在 Al 含 量 0.8， 溫 度 達 480℃ 的 情 況 下 ， 氧 化 速 率 約 為 0.12nm/min， 如 圖 3-7 15.
(25) 所 示 。 由 於 在 上 覆 蓋 層 之 後 ， 是 Al 含 量 較 低 的 漸 變 層 ， 其 氧 化 速 率 驟 減 ， 可 以 當 作 氧 化 製 程 的 停 止 層 (stop layer)。 氧 化 完 成 後 將 晶 片 放置在爐管中等待其自然降至室溫。. 第二道微影製程 使 用 的 光 阻 劑 為 5214E， 將 來 Lift off 用 。 鍍上 P 型金屬 在 鍍 上 P型 金 屬 前 ， 必 須 先 做 UV-O 3 ， 目 的 在 於 氧 化 殘 餘 光 阻 ， 接 著 將 晶片浸泡於鹽酸溶液 ，其目的是在去除歐姆接觸層上的自然氧化層 (native oxide)並 且 帶 走 氧 化 後 的 殘 餘 光 阻 。. 我 們 是 使 用 電 子 蒸 鍍 (E-gun)系 統 來 鍍 金 屬 ， P型 金 屬 的 結 構 依 序 為 Ti/Pt/Au，蒸 鍍 溫 度 不 可 太 高 (大 於 55 0 C)，影 響 到 光 阻 的 特 性 ， 可能造成掀起的失敗。 掀 光 阻 (Lift off) 接 下 來 將 晶 片 泡 在 丙 酮 溶 液 中，輕 輕 搖 晃，即 可 得 到 金 屬 條 紋 。. 磨薄與鍍 n 型金屬 鍍完 P 型金屬後，接著要將晶片的背面磨薄，一方面可以降低 雷 射 二 極 體 的 串 聯 電 阻，但 最 主 要 的 目 的 還 是 在 於 磨 薄 後 的 晶 片，較 容 易 劈 裂 出 完 美 的 自 然 斷 裂 面 ， 也 就 是 有 較 高 反 射 率 的 FB 共 振 腔 反 射鏡。 在加熱下，將晶片用黃膠黏在載玻片上，放入的溶液中進行蝕 刻磨薄的動作，時刻速率約 。 要鍍背面金屬前，一樣要先去掉背面的自然氧化層，故先浸泡 在 HCl 水 溶 液 中 ， 再 用 單 電 子 槍 蒸 鍍 系 統 鍍 上 N 型 金 屬 Ni/Ge/Au 快速退火 16.
(26) 雷射二極體金屬和半導體間的接面為歐姆接點(ohmic contact)，為了達到這個 目的，我們將晶片放入快速退火系統中(簡稱 RTA)，當溫度升高，金屬融化滲入 半導體接面中，可以提高參雜濃度，形成歐姆接點，一般而言，退火溫度約在 440℃左右。 晶片劈裂 在 晶 片 的 邊 緣，以 用 雷 射 切 割 機 沿 著 垂 直 雷 射 條 紋 的 方 向，劃 下 不 同 間 隔 寬 度 的 刻 痕 ， 定 義 不 同 的 共 振 腔 長 度 L， 最 後 沿 著 刻 痕 施 力 ， 使 晶 片 沿 著 自 然 斷 裂 面 劈 開 ， 如 此 即 形 成 了 FP 共 振 腔 鏡 面 。 (討 論 ) 在 本 篇 碩 論 中，晶 片 在 進 入 爐 管 之 前 並 沒 有 鍍 上 Si 3 N 4，其 結 果 依 然 可 得 到 良 好 的 P+ GaAs接 觸 層 表 面 以 及 良 好 的 P-N junc t ion電 性 ， 如 圖 3-8 所 示 。. 3-3 雷射特性量測系統 圖 3-9 為 L-I 特性曲線量測系統，此系統適用於未包裝的邊射型雷射二極 體，我們將雷射二極體置於樣品座上，驅動電流藉電流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 averager)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 3-10(a)(b)為 I-V 曲線與雷射頻譜量測系統，量測頻譜時，光訊號經由 光纖饋入頻譜儀。. 17.
(27) 295 nm. 1.5um. 1.5um Al0.8Ga0.3As:Be. Al0.8Ga0.2As:Si. 50nm. 45nm. 50nm Al0.8Ga0.2AsAl0.3Ga0.7As. 0o GaAs. 圖 3-1，lm4354 能帶結構圖。. 495 nm. 1.5um Al0.8Ga0.2As:Si. 1.5um Al0.8Ga0.3As:Be. 50nm Al0.3Ga0.7As 100nm 45nm. 50nm Al0.8Ga0.2As-. 圖 3-2 ，lm4378 能帶結構圖。. 18.
(28) 圖 3-3，氧化之脊狀雷射結構 SEM 圖。. metal P+ contact layer. oxide. Wave guide region &. Upper cladding. active layer layer. 圖 3-4，氧化之脊狀雷射結構示意圖。. 19.
(29) (a)上光阻且訂定條紋位置. (b)做濕式蝕刻，讓高 Al 含量的上覆蓋層裸露出來. (c)做濕氧化，形成γ -Al2O3形式的絕緣層. (d)鍍上 P 型金屬 Ti300/Pt300/Au1500. (e)磨薄晶片後，鍍上 N 型金屬 Ni3000/Ge300/Au1500， 接著 RTA. 圖 3-5，脊狀結構製程流。. Wet oxidation 爐管配置 氮氣作用 1.Purge system 2.Drive in H2O N2. 1 水溫控制在92°C 2 氮氣流量 ~75L/hr. 分流閥. 3為了避免水氣凝結,必須在管徑 上包裹加熱帶. H2O. 4.在排放廢棄之前,先將之通入水桶. 圖 3-6 氧化製程的爐管配製圖。. 20.
(30) oxidation rate~0.12um/min 10min. Sample1. 10mi n. 15min. 20min. 25min. 30min. 1.053. 1.88. 2.42. 3.09. 3.313. 1.165. 1.72. 2.71. 3.09. 3.969. 2.40. 2.96. 4.125. 2.21. 3.80. 4.219. sample2. sample3. 2.90 2.81. 15min. AVG. 1.109. 1.8. 2.435. 2.97. 3.907. 20min B Linear Fit of Data3_B 4. 25min depth(um). 3. 30min. 2. 1. 0. 0. 5. 10. 15. time(min). 圖 3-7. 氧化速率量測。. 圖 3-8， 氧化 SEM 圖。 21. 20. 25. 30.
(31) Trigger signal SRS gated integrator & Boxcer averager. RS232 Photo curr ent. data Current signal. Voltage signal. Computer. Photo-detector (InGaAs). GPIB. Light. Voltage source. Laserdiode diode Laser. Current. 圖 3-9 ，LI 曲線量測系統圖。. 22.
(32) Voltage source. voltage. Laser diode. light. Lens. (Probe station). Fiber. Computer. Optical spectrum analysis. 圖 3-10(a). 雷射輸出光譜量測系統圖。. voltage signal. Laser diode. current signal. data HP4145. 圖 3-10(b) I-V 曲線量測系統圖。. 23. Computer.
(33) 第 四 章 結果與討論 本 章 分 為 四 個 小 節，4-1 節討論樣品 lm4378 寬面積雷射資料與參數、4-2 節討論樣品 lm4354 寬面積雷射資料與參數、4-3 節討論氧化製程脊狀結構雷射 的量測結果、4-4 討論激發態波峰先出現，接著基態波峰才出現的雷射行為並對 其做定性的解釋。 . 4.1 lm4378 寬面積雷射資料與參數. 圖 4-1(a)lm4378 LI-curve，共振腔寬度W=20um,長度L=1.4mm。其中，當電 流達到約 130mA，LI-curve出現一個明顯的 “kink ＂。觀察其對應的頻譜圖， 如圖 4-1(b)所示，隨著電流的增加，首先由GS開始雷射，其對應的波長位置為 1.190 um ，電流持續增加，到達約 130mA時，出現另外一個波峰，對應著ES的 位置，其波長為 1.124um。ES開始雷射即為LI-curve上出現明顯kink的原因，而 ES. kink所在的位置，及對應ES的臨界電流位置Ith 。接下來持續增加電流，ES雷射 的強度持續增加，而GS雷射的強度則在飽和之後漸漸的減弱，最後消失不見。這 樣的現象同樣的在參考資料. [15][16]. 中出現，該文獻指出，ES能階上的載子累積並沒. 有因為GS已經開始雷射而停止，而是持續地隨著電流的增加，而緩慢的累積，於 是有機會在隨後克服總損耗而出現ES lasing。GS之所以會消失是因為在high bias 的情況下，主動層區域的局部溫度為相對的高溫，而高溫會造成熱游離的 速率變快，fGS值下降，GGS值跟著下降。由圖 4-1(b)可看出，GS與ES的能量分別 對應 1.042eV與 1.103eV，兩者的能量差約為 60meV。. 圖 4-2 所示改 變 不 同 的 長 度 的lm4378LI-曲線， L=( a) 1.1 mm ( b) 1.2 mm ( c) 1.3 mm ( d) 1.5mm。同時地，針對不同的L，做變溫量測。圖一(a)所. 24.
(34) -1. 示L=1.1mm，其對應的總損耗(total loss)α~14cm ，而其波長落於 1.124um， 為ES lasing，由此可知在室溫的情況下( T=20℃)，lm4378 所對應的基態飽和 sat. -1. 增益GGS 小於 14cm 。接著觀察不同長度的雷射二極體，隨著長度增加，鏡面損 耗變小，GS有機會克服總損耗而開始雷射，如圖 4-2(b)所示，ㄧ開始由GS先雷 射，不過隨後即出現明顯的kink，代表ES也接著開始雷射。當溫度上升到 25℃， 又變成了只有 ES lasing，原因一樣是溫度上升造成熱游離的速率變快，fGS值 下降，GGS值跟著下降，於是無法克服總損耗。ㄧ樣的方式，可解釋圖 4-2(c)(d)(e) 中所發生的情形。隨著長度的增加，GS與ES的臨界電流比值IthES/IthGS也跟著增 加，這在參考資料 [15][16]中亦有觀察到相同的現象，以下我們就參考該作者 的論述，對此現象做定性的解釋。. 如 圖 4-3 所 示，我 們 定 性 地 解 釋 GS/ES臨 界 電 流 比 值 對 共 振 腔 長 度 的 相 依 性 。 首 先 考 慮 在 GS/ES上 ， 所 累 積 的 載 子 濃 度 N G S /N E S 隨 著 注 入 電 流 的 增 加 而 增 加 ， 直 到 增 益 足 以 克 服 總 損 耗 (total loss)始 達 到 雷 射 臨 界 條 件 ， 當 GS先 達 到 lasing， 其 載 子 濃 度 pinned 在 值 N t h. ＧS. ，. 而 ES上 的 載 子 濃 度 並 不 會 跟 著 GS的 載 子 濃 度 一 起 ”pinned”住，而 是 持 續 的 緩 慢 累 積 ， 這 是 QD雷 射 特 有 的 性 質 ， 原 因 是 QD-GS本 身 的 所 提 供 的 states有 限 ， 在 加 上 其 finite relaxation time特 性 ， 使 得 載 子 持 續 在 ES累 積，最 後 ES的 增 益 亦 有 機 會 克 服 總 損 耗 而 達 到 雷 射 的 臨 界 條 件 。 當 Ｅ S開 始 雷 射 ， 其 載 子 濃 度 將 pinned在 值 N t h. ＥS. 。. 接 著 考 慮 共 振 腔 長 度 (cavity length ,L)增 加 造 成 的 影 響 : (a)當 L增 加，鏡 面 損 耗 (mirror loss,α m)下 降，臨 界 增 益 (threshold gain, g t h )下 降 ， 對 應 的 雷 射 臨 界 條 件 所 需 的 載 子 濃 度 N t h 25. ＥS. 也跟著下.
(35) 降 。 如 圖 上 之 參 考 線 (i)所 標 示 。 (b)當 L增 加 ， 對 應 雷 射 臨 界 條 件 的 GS載 子 濃 度 N t h. ＧS. 也跟著下降。如. 圖 上 之 參 考 線 (ii)所 標 示 。 (c)考 慮 (τ ). -1. =(1-fGS)(τ 0 ). -1. 其 中 τ 稱 為 relaxation time， f G S 是 the occupancy of the QD ground state， τ 0 稱 為 intrinsic relaxation time， 當 f G S 等 於 零 ， τ =τ 0 。 亦 即 relaxation time 與 量 子 點 的 填 充 率 有 關 ， 在 填 充 率 越 高 的 情 況 下 ， relaxation time會 越 慢 。 GS. 當 L增 加，對 應 地 N t h 下 降，f G S 下 降，relaxation time、τ 變 快 ， 於 是 在 ES 上 載 子 濃 度 N E S 累 積 較 緩 慢，由 圖 中 斜 率 的 差 異 可 見。基 於 (a)(b)(c)三 點 可 解 釋 GS/ES 臨 界 電 流 比 值 隨 共 振 腔 長 度 增 加 而 增 加 的 性 質 ， 其 中 因 素 （ c） 是 主 要 原 因 。. 註 : 比較QD與QW系統，其中QD有較緩慢的intraband relaxation time ,其 數值約落在 1~100ps. [17]~[20]. ,而QW大概小於 1ps[21] . 如 圖 4-4(a)所 示 ηD. -1. 對L作圖(lm4378)，對長共振腔的部份做線性分析 -1. 可得internal loss αi =4cm 與internal quantum. efficiencyηi =98%。另. 外如圖 4-4(b)所示，利用方程式. ηD -1. = [1+(2τ0/τES)/(1-q)](1-qin/q). 26. -1.
(36) 可估算出樣品 4378 的intrinsic relaxation timeτ0 ~4ps、GGSsat=13cm-1。接著， -1. 我們來考慮估算得的τ0 之精準度。其一，由擬合所得的GGSsat值 13cm 小於並且接 -1. 近圖 4-2(a)中估算的值 14cm ，該估算值與實驗結果吻合。由此可確認我們所估 算的intrinsic relaxation timeτ0 亦有一定程度的精準性、其二，考慮擬合誤 差，我們令 2τ0/τES為變數，所擬合出來的值為 0.00661，而誤差範圍為± 0.00321，因此估算的τ0值為 3.3 ± 1.6 ps。(其中設定τES為 1ns). 圖 4-5 利用方程式JthGS=J0(1+q)+J1(1+q)/(1-q) 可擬合估算出 Jtr~44A/cm2 或Jtr~15 A/cm2(per layer)、τe~1ns(T=20℃)。(其中套入在圖 4-4 所得到的餐數值 2τ0 /τES~0.00661，τES，τGS~1ns)。 最後，我們將 lm4378 的參數作整理，製作表格如下：. 表 4-1 lm4378 寬面積雷射參數值. Jtr(A/cm2) 44/three layer or 15/one layer. 4.2. τ0 (ps). τe (20℃). αi (cm-1). ηi. GGSsat (cm-1). 4ps. 1ns. 4cm-1. 0.98. 13cm-1. lm4354 寬面積雷射資料與參數 圖 4-6 所 示 為 lm4354 之 LI-curve， (a)1.7mm， (b)2.0mm，. (c)2.5mm， (d)3.0mm。 觀 察 圖 5(d)Ith~17.38mA，Jth~29A/cm-1 或 Jth~10/per layer，樣品 4354 可達到極低的臨界電流密度。另外，此樣品在 sat. -1. L=1.2mm時，為ES-lasing，由此可推斷其基態飽和增益GGS 小於 12.5cm 。. 27.
(37) 圖 4-7 所 示，亦 為 lm4354 之 LI-curve，在 此 我 們 注 入 較 大 的 電 流， ES. 一 樣 可 觀 察 到 LI曲 線 上 出 現 明 顯 的 ＂ kink＂ ， 即 ES-lasing。 Ith /Ith. GS. 值 在 固 定 溫 度 的 情 況 下，隨 著 共 振 腔 長 度 的 增 加 而 增 加。在 固 定 共 振 腔 長 度 的 情 況 下 ， 隨 著 溫 度 的 增 加 而 減 少 。 另 外 ， 觀 察 圖 4-6(d)， sat. L=3.0mm，GS的 雷 射 光 功 率 P G S 隨 著 電 流 的 增 加 而 達 到 飽 和 值 PGS ，接著 其功率漸漸下降， 然 後 ES-lasing出 現 ， 又 使 得 總 功 率 上 升 ， 於 是 在 LI-curve上 可 觀 察 到 一 個 明 顯 的 凹 谷，這 一 點 與 參 考 資 料 [5]中 提 到 開 始 ES-lasing的 位 sat. 置 一 定 對 應 到 基 態 飽 和 功 率 PGS 的 位 置 相 同 有 所 出 入 。 如圖 4-8(a)所示，隨著電流的增加，首先由 GS 開始雷射，其對應的波長位 置為 1.235 um ，電流持續增加，到達約 150mA 時，出現另外一個波峰，對應著 ES 的位置，其波長為 1.157um， GS 與 ES 的能量分別對應 1.004eV 與 1.071eV， 兩者的能量差約為 68meV。。接下來持續增加電流，如圖 4-8(b)所示，ES 雷射 的強度持續增加，而 GS 雷射的強度則在飽和之後漸漸的減弱，最後消失不見。 如 圖 4-9(a)所 示 ηD. -1. 對L作圖，對長共振腔的部份做線性分析可得. -1. internal loss αi =3cm 與internal quantum 圖 4-9(b)所示，利用方程式ηD -1. efficiencyηi =82%。另外如. = [1+(2τ0/τES)/(1-q)](1-qin/q) -1可估. 算出樣品 4354 的intrinsic relaxation timeτ0 ~40ps、GGSsat=12cm-1。接著， -1. 我們來考慮估算得的τ0 之精準度。由擬合所得的GGSsat值 12cm 小於並且接近先前 -1. 所估算的值 12.5cm ，證明該估算值與實驗結果並沒有衝突。由此可確認我們所 估算的intrinsic relaxation timeτ0 亦有一定程度的精準性。 圖 4-10 利用方程式JthGS=J0(1+q)+J1(1+q)/(1-q) 可擬合估算出Jtr ~17. 28.
(38) A/cm2 或Jtr~6 A/cm2 (per layer)、τe~3ns(T=20℃)。(其中套入在圖 4-9(b) 所得到的參數值 2τ0 /τES~0.00273，τES，τGS~3ns)。 最後，我們將 lm4354 的參數作整理，製作表格如下：. 表 4-1 lm4354 寬面積雷射參數值 Jtr(A/cm2) 17/three layer or 6/one layer. 4.3. τ0 (ps). τe (20℃). αi (cm-1). ηi. 40ps. 3ns. 3cm-1. 0.82. sat. GGS (cm-1) 12cm-1. 氧化製程脊狀結構雷射 圖 4-11 為 氧 化 製 程 脊 狀 結 構 的 截 面 圖 (SEM)，. (a)W~17um(b)W~7um， 我 們 改 變 不 同 的 共 振 腔 寬 度 ， 觀 察 臨 界 電 流 直 是 否 有 等 比 例 下 降 。 圖 4-12 為 其 對 應 的 LI-curve， 比 較 其 數 據 如 下 表所示：. It h( mA). Jth(A/cm2). λ (um). (a)7.1um. 28.34. 16 0. 1.1 74. (b)17.0um. 34.35. 80.82. 1.219. (c)20.0um(BA). 30.80. 61.60. 1.219. 首 先，比 較 (a)7.1um與 (b)17um的 雷 射 二 極 體 (兩 者 的 共 振 腔 長 度 相 同 ， L = 2.5mm)， (a)7.1um的 發 光 波 長 為 1.174， 為 ES-lasing， 而 (b)17.0um的 發 光 波 長 為 1.219， 為 GS-lasing。 顯 示 出 寬 度 的 減 少 讓 發 光 波 長 由 GS跳 到 了 ES， 主 要 的 原 因 是 寬 度 的 減 少 造 成 29.
(39) internal loss， α i 上 升 。 接 著 比 較 (b)17.0um-氧 化 脊 狀 結 構 與 (c)20um-濕 式 蝕 刻 寬 面 積 雷 射 ， 兩 者 均 為 GS-lasing， (b)有 較 高 的 臨界電流密度，也使得寬度的減少無法使臨界電流直順利的下降。 主 要 還 是 考 慮 寬 度 變 小 ， inter nal l oss， α i 上 升 造 成 的 結 果 ， 另 外也有可能是氧化製程造成條紋有不平整的現象，而造成散射 (sc attering)增 加， 造 成 α i 上 升 。為 了 平 衡 α i 上 升， 減 少 鏡 面 損 耗 (mirror loss， α m )是 必 要 的 考 量 ， 可 以 考 慮 增 加 共 振 腔 長 度 ， 並 且 在 劈 裂 鏡 面 上 ， 鍍 上 高 反 射 率 的 材 料 (HR coating )。 圖 4-13 所 示 ， 我 們 增 加 了 共 振 腔 長 度 達 L=5.0mm， 而 寬 度 維 持 在 約 7.5um，可 使 得 雷 射 維 持 在 GS-lasing，並 且 有 效 地 降 低 了 臨 界 電流值。. 4.4. 激發態波峰先出現，接著基態波峰才出現. 如 圖 4-14(a)所 示 ， 我 們 觀 察 到 ES-lasing 先 產 生 ， 持 續 增 加 電 流 ， 接 著 GS-lasing 才 出 現 ， 這 與 一 般 觀 察 到 的 雷 射 順 序 有 所 不 同 ， 我 們 增 加 溫 度 達 25℃ ， 也 是 一 樣 的 情 況 ， 激 發 態 波 峰 先 出 現 ， 接 著 才 是 基 態 波 峰 出 現 。 持 續 增 加 電 流 ， 如 圖 4-14(b)電 流 在 1 04mA~190mA 區 間 ， 兩 個 波 峰 均 維 持 穩 定 的 存 在 ， 圖 4-14(c )電 流 持 續增加直到最後基態波峰逐漸消失，這與一般的情況吻合。 利 用 圖 4-15 來 解 釋 ES波 峰 先 出 現 ， GS波 峰 後 出 現 的 現 象 。 首 sat. 先 ， 由 ES先 雷 射 可 以 知 道 ， 基 態 飽 和 增 益 GGS 並 沒 有 辦 法 克 服 總 損 耗 (total loss)， 因 此 持 續 增 加 電 流 才 有 激 發 態 雷 射 波 峰 出 現 。 然 而 持 續 增 加 電 流 並 沒 有 辦 法 增 加 基 態 增 益 GGS， 因 此 唯 一 有 可 能 使 GS接 著 30.
(40) lasing僅 有 可 能 是 因 為 電 流 的 增 加 造 成 總 損 耗 (total loss)下 降 。 其 中 總 損 耗 包 含 了 內 部 損 耗 (internal loss)與 鏡 面 損 耗 (mirror loss)， 其 中 鏡 面 損 耗 主 要 與 鏡 面 反 射 率 和 共 振 腔 長 度 有 關 ， 與 電 流 大 小 無 關 ， 而 內 部 損 耗 與 光 在 共 振 腔 內 的 散 射 (scattering) 與 材 料 吸 收 (absorption)有 關，其 三 我 們 在 4-3 節 中 也 提 到 內 部 損 耗 與 共 振 腔 寬 度 有 關。接 下 來 由 圖 4-16 可 以 看 到 該 元 件 的 SEM影 像，氧 化 的 區 域 並 沒 有 到 達 主 動 層 的 位 置，因 此 當 電 流 較 大 時，有 可 能 產 生 電 流 分 散 (current spreading)的 情 況 ， 而 使 得 電 流 的 增 加 造 成 元 件 等 效 寬 度 (effective width)的 增 加 ， 對 應 地 造 成 內 部 損 耗 的 下 降 。 結 果 是 有 機 會 在 電 流 增 加 的 情 況 下，總 損 耗 下 降，於 是 在 ES-lasing發 生 後 ， 有 機 會 讓 GS-lasing接 著 發 生 。. 接 著 我 們 降 低 溫 度 去 做 量 測 ， 圖 4-17（ a） 所 示 ， 我 們 將 溫 度 降 到 12℃ 與 16℃ ， 重 新 量 測 該 元 件 之 雷 射 頻 譜 ， 發 現 基 態 波 峰 先 出 現，接著激發態波峰才出來，該元件又回到了正常的發光順序。持 續 增 加 電 流 則 如 圖 4-17(b)與 4-17(c)所 示，最 後 一 如 往 常，基 態 波 峰 在 高 電 流 下 逐 漸 消 失。我 們 利 用 圖 4-18 來 解 釋 這 樣 的 行 為，首 先 我 們 可 確 認 在 20℃ 時 ， 總 損 耗 大 於 但 是 非 常 接 近 基 態 飽 和 增 益 值 ， 其 原 因 是 電 流 分 散 (current spreading)造 成 的 內 部 損 耗 下 降 有 限 ， 因 此 總 損 耗 的 參 考 線 勢 必 非 常 接 近 基 態 gain peak 的 位 置 如 圖 所示。其二、考慮方程式 G G S =G G S. sat. (2f G S -1). 其 中 ， f G S 一 般 的 情 況 下 並 不 會 到 達 1， 而 是 小 於 1， 其 最 大 填 充 率 則 是 與 溫 度 有 關 ， 在 溫 度 由 20℃ 降 到 16℃ 的 情 況 下 ， f G S 值 增 加 ， 因 此. 31.
(41) 有 較 高 的 G G S 值 ， 於 是 在 低 溫 的 情 況 下 G G S 大 於 總 損 耗 ， 因 此 轉 為 GS先 雷射。. 32.
(42) 50. 40. mW. 30. 20. 10. 0. 0. 50. 100. 150. 200. 250. mA. 130mA. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. Y Axis Title. Y Axis Title. 圖 4-1(a)lm4378 LI-curve，W=20um，L=1.4mm。. 1.16. 1.18. 1.20. 1.22. 1.24. 1.08. 125mA. 1.10. 1.12. 1.14. 1.16. 1.18. 1.20. X Axis Title. 1.22. 1.10. 1.12. 1.14. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.16. 1.18. 1.20. 1.22. 1.08. 1.10. 1.12. 1.14. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.16. 1.18. 1.20. 1.22. 1.08. 1.10. 1.12. 1.14. 1.16. 1.18. 1.20. -48. X Axis Title. -50. 1.22. Y Axis Title. Y Axis Title. -58 -60 -62 -64 1.08. 1.10. 1.12. 1.14. 1.16. 1.18. 1.20. 1.22. 1.24. 1.14. 1.10. 1.12. 1.14. 1.10. 1.12. 1.14. 1.10. 1.12. 1.14. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.22. 1.24. 1.16. 1.18. 1.20. 1.22. 1.24. 1.16. 1.18. 1.20. 1.22. 1.24. 1.16. 1.18. 1.20. 1.22. 1.24. 1.16. 1.18. 1.20. 1.22. 1.24. 1.18. 1.20. 1.22. 1.24. X Axis Title. 1.08. X Axis Title. 1.20. X Axis Title. 1.08. -56. 1.12. -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.24. 44mA. -54. 1.18. X Axis Title. 1.08. -52. 1.10. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.24. 80mA. 1.16. X Axis Title. 1.08. Y Axis Title. X Axis Title. 1.14. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.24. 100mA. 1.12. X Axis Title. 1.08. Y Axis Title. X Axis Title. 1.10. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.24. 120mA Y Axis Title. Y Axis Title. 1.14. -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64 1.08. Y Axis Title. 1.12. X Axis Title. 1.08. Y Axis Title. 1.10. Y Axis Title. Y Axis Title. 1.08 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 210m A. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.10. 1.12. 1.14. 1.16. 200mA. 190mA. 180mA. 160mA. 140mA. X Axis Title. 圖 4-1(b)lm4378 之頻譜量測，對應 4-1(a)的 LI-curve。. 33.
(43) 40 35. W =20um L = 1 .1 m m E S -la s in g I th = 8 1 .9 8 m A. 30 25. mW. 20 15. J th = 3 7 3 A /c m. 10. 2. 5 0 -5 0. 50. 100. 150. 200. mA. 圖 4-2(a) 1.1mm. 40. 20. W=20um L=1.2mm GS-lasing first Ith=52.93mA. 15. Jth=220A/cm. 35 30. mW. 25. 20C 25C. 2. 10 5 0 -5 0. 50. 100. mA. 圖 4-2(b) 1.2mm. 34. 150. 200.
(44) W =20um L = 1 .3 m m G S -la s in g firs t I th = 4 0 .0 6 m A. 40 35 30. mW. 25. J th = 1 5 4 A /c m. 20. 2. 15. 20C 25C 30C. 10 5 0 -5 0. 50. 100. 150. 200. mA. 圖 4-2(c) 1.3mm. 35 30 25 20. W=20um L=1.4mm GS-lasing first Ith=35.07mA. 20C 25C 30C 35C 40C. mW. 2. 15. Jth=125A/cm. 10 5 0 -5 0. 50. 100. mA. 圖 4-2(d) 1.4mm. 35. 150. 200.
(45) 50. 40. 30. W=20um L=1.5mm GS-lasing first Ith=30.05mA. 20C 25C 30C 35C 40C. mW. 2. 20. Jth=100A/cm. 10. 0. 0. 50. 100. 150. 200. mA. 圖 4-2(e) 1.5mm. 圖 4-2 所示為 lm4378 的 LI-curve。 L=(a)1.1mm(b)1.2mm(c)1.3mm(d)1.4mm(e)1.5mm。 針對不同的 L，做變溫量測。. 36.
(46) IthES/IthGS depend on cavity length (i).L↗=>am↘ =>gth↘ =>NthES↘ Longer L<=>larger IthES/IthGS value Shorter L<=>smaller IthES/IthGS value NES population. (iii). (τ) -1=(1-fGS)(τ0) -1. Carrier injection rate. L ↗=> JthGS↘ =>fGS ↘ => τ -1↗ =>accumulate slower in ES. (ii).L↗=>JthGS↘. 圖 4-3 定性解釋IthES/IthGS比値隨共振腔長度增加而增加。. 37.
(47) 1.90. ηi=98%. 1.85. αi~4cm. 1.80. -1. 1.75. ηD. -1 1.70 1.65. 1.60. 1.55 0.14. 0.16. 0.18. 0.20. 0.22. 0.24. L(cm) 圖 4-4(a) 對ηD-1-L圖，作線性分析。. E 2.2. 2.1. τ0~4ps(set τES~1ns). 2.0. GGS ~13cm. sat. Data: Data1_E Model: t0. 1.9. -1. ηD. -1. 1.8. Chi^2 R^2. = 0.00202 = 0.97017. a b c. 0.00661 0.30331 0.08873. ±0.00321 ±0.01311 ±0.00099. 1.7. 1.6. 1.5 0.12. 0.14. 0.16. 0.18. 0.20. 0.22. 0.24. L(cm) 圖 4-4(b) 利用方程式 2.7(a) 對ηD-1-L圖做擬合。. 38.
(48) τe~1ns τGS~1ns,τES~1ns. 120 115 110. Jtr~44A/cm. 105. 2. GS 100. Jth. 95 90 85 80 0.80. 0.82. 0.84. 0.86. 0.88. 0.90. 0.92. 0.94. 0.96. q(normalized loss) 圖 4-4(c)，利用方程式 2.6(a)對 Jth-q 圖做擬和 。. 25. 20. 1.7mm mW. 15. 10. 5. 0. 0. 20. 40. 60. 80. 100. mA. 圖 4-5，lm4354 LI-curve(a)L=1.7mm，. 39. 120. 140.
(49) 30. 25. 20. 2.0mm. mA. 15. 10. 5. 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. mW. 圖 4-5，lm4354 LI-curve(b)L=2.0mm，. 30. 25. 2.5mm. 20. mW. 15. 10. 5. 0 0. 20. 40. 60. 80. mA. 圖 4-5(c)L=2.0mm，. 40. 100. 120. 140.
(50) 25. 3.0mm. 20. mW. 15. 10. 5. 0. 0. 20. 40. 60. 80. 100. mA. 圖 4-5(d)L=3.0mm。Jth<10A/cm2。. 41. 120. 140.
(51) 40. power(mW). 30. 20C ~40C 20. 10. 0. 0. 50. 100. 150. 200. I(m A ). 圖4-6(a)L=1.7mm 40 35. power(mW). 30. 20C~60C. 25 20 15 10 5 0 -5 0. 50. 100. I(mA) 圖4-6(b)L=2.0mm. 42. 150. 200.
(52) 50. 40. power(mW). 20C ~55C 30. 20. 10. 0. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. I(m A ) 圖4-6(c)L=2.5mm. 40. 20C~55C. power(mW). 30. 20. 10. 0. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. I(m A ) 圖4-6(d)L=3.0mm 圖 4-6 所示為 lm4354 的 LI-curve。 L = (a)1.7mm，(b)2.0mm，(c)2.5mm，(d)3.0mm，(e)3.5mm。針對不 同的 L，做變溫量測。. 43.
(53) Y Axis TitleY Axis TitleY Axis TitleY Axis TitleY Axis Title. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 190mA 1.10. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. X Axis Title 1.10. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.10. -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.20. 1.25. 1.30. 1.15. 1.20. 1.35. 150mA. X Axis Title 1.10. 1.35. 160mA. X Axis Title 1.15. 1.35. 170mA. X Axis Title. -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65. 1.35. 180mA. 1.25. 1.30. 1.35. X Axis Title. 圖 4-7(a)4354 頻譜，L=1.7mm，W=20um，T=20℃。. 340mA. 260mA. -30. -35. -35. -40. Y Axis Title. Y Axis Title. -40 -45 -50 -55 -60. 1.15. 1.20. 1.25. X Axis Title. 1.30. 1.15. 1.20. 1.25. X Axis Title. 1.30. 1.20. 1.25. X Axis Title. 1.30. 1.15. 1.20. 1.15. 1.25. 1.30. 1.20. 1.25. X Axis Title. 1.10. 1.35. 1.15. 1.20. 1.35. 1.25. X Axis Title. 1.10. 1.15. 1.20. X Axis Title. 圖 4-7(b)4354 頻譜，I=200mA->340mA. 44. 1.35. 1.30. 1.35. 300mA. 1.30. 1.35. 280mA. -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. X Axis Title. 1.30. 320mA. -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 200mA Y Axis Title. 1.10. 1.25. X Axis Title. 1.10. 1.35. Y Axis Title 1.15. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 1.20. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64. 220mA. -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64 1.10. 1.15. 240mA. -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -64 1.10. 1.10. 1.35. Y Axis Title. Y Axis Title. -55. -65 1.10. Y Axis Title. -50. -60. -65. Y Axis Title. -45. 1.25. 1.30. 1.35.
(54) 2 .2 0. η i= 8 2 %. 2 .1 5. α i= 3 c m. 2 .1 0. -1. 2 .0 5. ηD. -1. 2 .0 0 1 .9 5 1 .9 0 1 .8 5 0 .2 0. 0 .2 2. 0 .2 4. 0 .2 6. 0 .2 8. 0 .3 0. L (c m ) 圖 4-8(a)lm4354， 對ηD-1-L圖，作線性分析。. D a ta : D a ta 1 6 _ E M o d e l: t0. 3 .2. C hi^2 R ^2. = 0 .0 0 1 8 2 = 0 .9 9 6 6 7. a b c. 0 .0 2 7 3 ± 0 .0 0 6 0 2 0 .3 2 7 9 9 ± 0 .0 1 3 1 0 .0 9 7 0 9 ± 0 .0 0 1 3 1. τ0~ 4 0 p s (s e t τ E S ~ 3 n s ). 3 .0 2 .8 2 .6. ηD. -1. G GS. 2 .4. sat. ~12cm. 2 .2 2 .0 1 .8 0 .1 4. 0 .1 6. 0 .1 8. 0 .2 0. 0 .2 2. 0 .2 4. 0 .2 6. 0 .2 8. 0 .3 0. L (c m ) 圖 4-8(b) 利用方程式 2.7(a) 對ηD-1-L圖做擬合 。. 45. 0 .3 2. -1.
(55) D 180 160 140 120. Jth. GS. 100 80 60 40 20 0.80. 0.85. 0.90. 0.95. normalized loss q=α/GGS. 1.00. say. 圖 4-9，利用方程式 2.6(a)對 Jth-q 圖做擬合。. 圖 4-10(a)氧化結構雷射截面圖，L=2.5mm，W=17um. 46.
(56) 圖 4-10(b)氧化結構雷射截面圖，L=2.5mm，W=7um. 40 35. L=2.5mm. 30 25 -52. 1.174. Y Axis Title. -54. -56. -58. 10um 20um. 20. -56. 15. -60. -60. 5. -62 1.08. 1.10. 1.12. 1.14. 1.16. 1.18. X Axis Title. 1.20. 1.22. 1.24. 1.219. -58. 10. Y Axis Title. power(mW). -50. -62. -64. 1.26. 0. -66. -68. -5. 1.210. 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. 1.215. 1.220. 1.225. 1.230. X Axis Title. I(mA). 圖 4-11，對 應 圖 4-10 的 LI-curve，並 且 附 上 對 應 的 發光波長。. 47.
(57) 35 30. Ith=18.2mA Jth=48.54A/cm2 W=7.5um L=5mm λ=1.231um. 25. power(mW). 20 15 10 5 0 -5 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. I(mA). Y Axis Title. 圖 4-12， L=5.0mm， W=7.5um， 雷 射 維 持 在 GS-lasing。. -- 3 8 -- 4 40 2 4 -- 4 4 46 8 -- 5 0 2 -- 5 5 54 6 -- 5 8 -6 60 2 -- 4 0 4 42 4 1 .0 0 --- 4 6 8 -- 4 5 50 2 -- 5 4 5 6 -- 5 8 6 -6 0 2 -- 4 0 4 42 4 1 .0 0 --- 4 6 4 58 0 --- 5 2 4 -- 5 5 56 8 -- 6 60 2 -- 4 42 4 1 .0 0 -- 4 46 8 -- 5 0 5 52 4 --- 5 6 5 68 0 -- 6 2 -- 4 4 4 46 8 1 .0 0 --- 5 0 5 52 4 --- 5 6 5 8 -- 6 0 -6 42 8 - 5 0 1 .0 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0. 1 .0 0. 7 .0 v -9 6 m A 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. 1 .3 5. 6 .6 v -9 0 m A 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. 1 .3 5. 6 .3 v - 8 5 m A 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. 1 .3 5. 6 .0 v - 8 0 m A 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. 1 .3 5. 5 .6 v - 7 3 m A 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. 1 .3 5. 5 .3 v - 6 9 m A 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. λ (u m ) 圖 4-13(a)， 4378 脊 狀 結 構 雷 射 頻 譜 ， 圖 上 分 別 為 20℃ 與 25℃ 的 量 測 。. 48. 1 .3 5.
(58) 10.0v-144mA 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.35. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.35. 9.0v-128mA 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.35. Y Axis Title. 9.5v-136mA. 8.5v-120mA 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.35. 8.0v-112mA 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.35. 7.5v-104mA. 1.00. 1.35. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -34 -36 -38 -40 -421.00 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -34 -36 -381.00 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -34 -36 -38 -401.00 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -32 -34 -36 -381.00 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -32 -34 -36 -38 -40 -421.00 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62. 13.0v-190mA 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 16.5v. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.30. -40. Y Axis Title. Y Axis Title. -35. -50 -55 -60. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. -55. 1.10. 1.15. 1.35. 1.00. 1.35. -30 -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. 1.30. 1.35. -30 -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. 15.5v. X Axis Title. 1.05. 1.30. 16.0v. X Axis Title. 1.20. 1.25. 1.30. 15.0v Y Axis Title. X Axis Title. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.10. 1.15. 1.00. 1.35. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 1.00. 1.35. -30 -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. 1.30. 1.35. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. 13.5v. X Axis Title. 1.05. 1.30. 1.20. 1.25. 1.30. X Axis Title. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.05. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.10. 1.15. 1.20. 1.25. 1.10. 1.15. 1.35. 1.30. 1.35. 1.30. 1.35. 1.30. 1.35. 17.0v. X Axis Title. 1.05. 1.30. 17.5v. X Axis Title. 1.05. 1.35. 18.0v. X Axis Title. 1.05. 1.30. 18.5v. X Axis Title. 1.05. 1.35. 19.0v. X Axis Title. 1.05. 1.30. 19.5v. 1.20. X Axis Title. 圖 4-13(c)電 流 持 續 增 加 直 到 最 後 基 態波峰逐漸消失。. 49. 1.25. X Axis Title. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60. 1.35. 14.0v. X Axis Title. 1.05. 1.30. 14.5v. X Axis Title. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. 1.25. Y Axis Title. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. 1.20. Y Axis Title. 1.15. Y Axis Title. 1.10. Y Axis Title. Y Axis Title. Y Axis Title. 1.00. -50. -60. 1.05. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62. -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. 20.0v. -45. Y Axis Title. Y Axis Title. -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. Y Axis Title. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 1.00. Y Axis Title. 1.00. 1.35. 10.5v-151mA. -30. -45. 1.35. 11.0v-159mA. 圖 4-13(b)電 流 在 104mA~190mA 區 間，兩 個波峰均維持穩定的存在。. -40. 1.35. 11.5v-167mA. 1.00. -35. 1.35. 12.0v-175mA. λ(um). -30. 1.35. 12.5v-182mA. λ(um). Y Axis Title. Y Axis Title. -32 -34 -36 -38 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -34 -36 -381.00 -40 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -36 -38 -401.00 -42 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -38 -40 -42 -441.00 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -38 -40 -42 -44 -461.00 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62 -38 -40 -421.00 -44 -46 -48 -50 -52 -54 -56 -58 -60 -62. 1.25. 1.30. 1.35. 1.35.
(59) α(I小) α(I大). G. current↗. GGSs. E. 圖 4-14， 在 電 流 增 加 的 情 況 下 ， 總 損 耗 下 降 ， 於 是 在 ES-lasing 發 生 後 ， 有 機 會 讓 GS-lasing 接 著 發 生 。. 圖 4-15 該 元 件 SEM 影 像 。. 50.
(60) 6 .5 V - 8 9 m A -4 0. -4 5. -4 5. Y Axis Title. Y Axis Title. 4 .5 V - 5 7 m A -4 0. -5 0. -5 5. -5 0. -5 5. -6 0. -6 0. -6 5. -6 5. 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. -4 2. 1 .2 0. 1 .2 5. X A x is T itl e. 1 .3 0. 4 .0 V - 4 9 m A. -3 8. -4 6. -5 2 -5 4 -5 6 -5 8. -6 4. 1 .2 5. 6 .0 V - 8 1 m A. 1 .3 0. 1 .2 0. 1 .2 5. 5 .5 V - 7 3 m A. 1 .2 0. 1 .2 5. 5 .0 V - 6 5 m A. 1 .2 0. 1 .2 5. -6 4 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. -4 2. 1 .2 0. 1 .2 5. X A x is T itl e. 1 .0 5. 1 .3 0. 3 .5 v -4 2 m A. -4 6 -4 8. Y Axis Title. -5 0 -5 2 -5 4 -5 6. 1 .1 0. 1 .1 5. -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8. -4 4. Y Axis Title. 1 .2 0. X A x is T itle. -5 8 -6 0 -6 2. -6 2. X A x is T itle. 1 .3 0. -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0. -5 8 -6 0. -6 2 -6 4. -6 2 -6 4 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. -3 8 -4 0. X A x is T itl e -5 0. 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. X A x is T itle. 1 .3 0. -4 2 -4 4. 3 .0 v -3 4 m A. -5 2 -5 4. -4 6 -4 8 -5 0 -5 2. Y Axis Title. Y Axis Title. 1 .1 5. -5 2 -5 4 -5 6. -6 0. -4 8. 1 .1 0. -4 6 -4 8 -5 0. Y Axis Title. Y Axis Title. -4 8 -5 0. 1 .0 5. -4 0 -4 2 -4 4. -4 4. -5 6 -5 8. -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. -6 0 -6 2 -6 4 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. X A x is T itl e. 1 .3 0. X A x is T itle. 圖 4-16（ a） 溫 度 降 到 12℃ 與 16℃ ， 重 新 量 測 該 元 件之雷射頻譜。. 1 0 .5 V - 1 5 3 m A. 8 .5 V - 1 2 2 m A. -3 5. -4 0 -4 0. -4 5. Y Axis Title. Y Axis Title. -4 5 -5 0 -5 5. -6 5 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. 8 .0 V - 1 1 3 m A Y Axis Title. X A x is T itle. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. X A x is T itle. 1 .3 0. 7 .5 V - 1 0 6 m A Y Axis Title. 1 .0 5 -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1 .0 5 -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. 1 .2 0. 1 .2 5. X A x is T itle. 1 .3 0. 7 .0 v -9 7 m A Y Axis Title. Y Axis Title. -6 5. Y Axis Title. -5 5. -6 0. -6 0. Y Axis Title. -5 0. 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 .3 0. 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. 1 .2 0. 1 .2 5. 1 0 .0 V - 1 4 6 m A. 1 .2 0. 1 .2 5. 9 .5 V -1 3 8 m A. 1 .2 0. 1 .2 5. 9 .0 V -1 2 9 m A. 1 .2 0. 1 .2 5. X A x is T itle. 1 .0 5. 1 .1 0. 1 .1 5. X A x is T itle. 1 .0 5 -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. 1 .1 0. 1 .0 5. 1 .1 0. X A x is T itle. 1 .1 5. X A x is T itle. 1 .1 5. 1 .3 0. 1 .3 0. X A x is T itle. 圖 4-16(b)， 承 上 圖 電 流 加 到 97~153mA. 51. 1 .3 0. 1 .3 0.
(61) 1 8 .0. 2 1 .5. -4 0. -4 5. -4 5. -5 0 -5 5. Y Axis Title. -3 5. -4 0. Y Axis Title. Y Axis Title. -3 5. -5 0 -5 5 -6 0. -6 0. -6 5. -6 5 1.05. 1.10. 1 .1 5. 1.20. 1 .2 5. 1.05. 1.30. 1 .1 0. 1.15. 1 .1 5. 1.20. 1 .2 5. 1.05. 1.30. 1 .1 0. 1.15. 1 .1 5. 1.20. 1 .2 5. 1 .1 0. 1.15. 1.20. 1 .2 5. 1 .1 5. 1.20. 1 .2 5. 1 .1 0. 1.15. 1.20. 1 .2 5. 1.20. Y Axis Title. 1 .2 5. 1.15. 1 .2 5. 1.30. 1 .2 0. 1.15. 1 .1 0. 1.15. 1 .2 0. 1.25. 1 .3 0. 1 .1 0. 1.15. 1 .2 0. 1.25. 1 .3 0. 1 .2 5. 2 2 .5. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1.05. 1.30. 1 .1 0. 1.15. 1 .2 0. 1.25. 1 .3 0. X A x is T it l e. 1 .2 0. X A x is T it l e. 1 .3 0. 2 3 .0. 1.05. 1 8 .5. 1 .1 0. 1.25. X A x is T it l e. -3 4 -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1.05. 1 .2 0. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2. 1.30. Y Axis Title. Y Axis Title. X A x i s T it le. 1 .1 0. X A x is T it l e. Y Axis Title 1 .1 5. 1 .2 0. 1.15. 1 .3 0. X A x is T it l e. Y Axis Title 1 .1 0. 1.25. 2 3 .5. 1.05. 1.30. 1 9 .0. 1.05. 1.30. 1 5 .0. 1.10. 1 .2 5. -3 4 -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. X A x i s T it le -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1.05. 1 .2 0. 1.15. 1 .2 0. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2. X A x is T it l e. Y Axis Title 1 .1 5. 1.15. X A x is T it l e. Y Axis Title 1 .1 0. 1 .3 0. 2 4 .0. 1.05. 1.30. 1 9 .5. 1.05. 1.30. 1 5 .5. 1.10. 1 .2 5. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. X A x i s T it le -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1.05. 1 .1 0. -3 4 -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. X A x is T it l e. Y Axis Title 1.10. 1 .2 0. Y Axis Title. Y Axis Title Y Axis Title. 1.05. 1.05. 1.30. 2 0 .0. 1.05. 1.30. 1 6 .0. 1.25. X A x is T it l e. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. X A x i s T it le -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. 1 .2 0. 2 4 .5. X A x is T it l e. Y Axis Title 1 .1 5. 1 .2 5. 2 0 .5. 1.05. 1.30. 1 6 .5. 1.10. 1 .2 0. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. X A x i s T it le -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1.05. 1.15. X A x is T it l e. Y Axis Title. Y Axis Title. Y Axis Title. 1 7 .0. 1.10. 1 .1 0. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. X A x is T it l e. X A x i s T it le -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1.05. 1.05. 1.30. 2 1 .0. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. Y Axis Title. Y Axis Title. Y Axis Title. 1 7 .5. 1.10. 1 .2 5. X A x is T it l e. X A x i s T it le -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1.05. 1 .2 0. 2 5 .0. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4. 1 .2 5. 1.30. 2 2 .0. -3 6 -3 8 -4 0 -4 2 -4 4 -4 6 -4 8 -5 0 -5 2 -5 4 -5 6 -5 8 -6 0 -6 2 -6 4 1.05. 1 .1 0. 1.15. 1 .2 0. 1.25. 1 .3 0. X A x is T it l e. 圖 4-16(c)， 基 態 波 峰 在 高 電 流 下 逐 漸 消 失 。. G Total loss. E 圖 4-17 在 溫 度 由 20℃ 降 到 16℃ 的 情 況 下 ， f G S 值 增 加 ， 因 此 有 較 高 的 G G S 值 ， 於 是 在 低 溫 的 情 況 下 G G S 大 於 總 損 耗 ， 因 此 轉 為 GS 先雷射。. 52.
(62) 第五章. 結論與未來展望. 結論 我們已知製作脊狀結構雷射時，共振腔寬度的下降會造成內部損耗增加，而 對於量子點雷射來說，其基態飽和增益有限，因此在製作脊狀結構雷射時要特別 注意內部損耗的增加，否則將造成量子點無法在基態雷射，因此在製作脊狀結構 量子點雷射時，增加共振腔長度或是在鏡面塗佈高反射率的材料，藉由降低鏡面 損耗來降低總損耗是必要的。若考量高速雷射之應用，高速雷射要求元件的共振 腔要短，這與我們提出的增加共振腔長度相違背，因此可考慮增加雷射飽和增 益，，也就是增加量子點的密度或是層數來確保雷射為基態發光。. 在本實驗中我們觀察到激發態波峰先出現，基態波峰才接著出現的情形，其 原因是電流在增加的過程中，發生電流分散的情形，使得等效的共振腔寬度增 加，於是內部損耗下降，總損耗跟著下降，造成基態波峰有機會在激發態波峰出 現後接著出現。觀察到這樣的現象，讓我們有更多的線索去瞭解內部損耗的機 制，進而提出更具創新的想法。. 未來展望 量子點雷射具有基態與激發態同時雷射的特性，可以善用此性質，配合光 子晶體結構或是 DFB(distributed feedback)結構，有機會做出可切換頻率 (tunable)的量子點雷射。. 53.
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(66) 簡歷 (Vita) 姓名：楊仁盛(Yang, Jen-Sheng) 性別：男 出生年月日：民國 68 年 10 月 11 日 籍貫：台灣屏東 學歷： 國立交通大學電子物理學系學士(89.9-92.6) 國立交通大學電子研究所碩士班(92.9-94.6) 碩士論文題目： 半導體量子點雷射之研究 Studies of Semiconductor quantum dots Lasers. 57.
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