執行單位： 國立交通大學光電工程研究所 計畫主持人： 王興宗 計畫參與人員： 賴利弘 盧廷昌 朱榮堂 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢
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國 92 年 5 月 26 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
期中進度報告
新穎元件架構實驗型高密度多段波長多工通訊網路系統整
合研究-子計畫三:DWDM 用長波長面射型雷射之研發(2/3)
計畫類別：□ 個別型計畫
þ 整合型計畫
計畫編號：NSC 91－2215－E－009－030
執行期間： 91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
計畫主持人: 王興宗 交通大學 光電工程研究所
計畫參與人員: 賴利弘 交通大學 光電工程研究所
盧廷昌 交通大學 光電工程研究所
朱榮堂 交通大學 光電工程研究所
一、中文摘要 本年度計畫中，我們將配合為期三年 的 DWDM 前瞻性研究計畫，開發出符合 DWDM 系 統 的 長 波 長 面 射 型 半 導 體 雷 射，由於長波長面射型雷射的發散角小， 波長可調，整合性高，製作成本低，將成 為下一代通訊系統主要的光訊號源。研究 內容主要是使用融合鍵結的方式整合磷化 銦(InP)長波長主動層到砷化鎵(GaAs)及 介電材料系列的高反射率布拉格鏡面上來 製作面射型雷射，以實現未來在 1300nm 或 1550nm 波段室溫連續操作的單或多波長面 射型半導體雷射為基本目標。investigation and development of wafer fusion bonding of InP active layer with GaAs/AlAs and dielectric DBR. We will fabricate 1300/1550nm VCSEL by the wafer fusion technology. The long wavelength VCSEL can efficiently operate under high temperature environment to meet DWDM requirement in the furture.
Keywords: long wavelength VCSEL, DWDM,
DBR, wafer fusion
二、計畫目的
本 計 畫 預 計 三 年 內 開 發 出 符 合 DWDM 通訊用長波長 1300nm/1550nm 面 射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)。操作在 1300nm 和 1550nm 的面射型雷射其發散角小、整合能力高， 在光纖通訊的應用上極具低成本發光源 作長波長面射型雷射[1-3]。基於此目標， 我們在元件製作上有三大方向，首先是量 子井主動層的結構設計，接著在 GaAs 基板 上成長高反射率的 GaAs/AlAs DBR，最後 是沉積介電材料 SiO2/TiO2 DBR。 三、結果與討論 A.晶片融合鍵結設備的建立 為了使用晶片融合鍵結技術來製作長 波長的面射型雷射，首先必須建立融合鍵 結的相關設備，如圖一所示，其中主要反 應腔體包括加熱用的爐管、不銹鋼管及加 壓用夾具，在管路方面分為製程用及抽真 空用管路，而在晶片融合鍵結時所使用的 氣體為 H2。 圖一.晶片融合鍵結設備示意圖
B.晶片的製作 (一)量子井主動層的結構設計 不管是直接成長在 InP 上的雷射結構 或是 wafer fusion 式的雷射結構，主動層皆 是成長在 InP 基板上的。傳統上，成長於 InP 上 的 主 動 層 材 料 為 InGaAsP 或 是 InGaAlAs 兩 個 系 列 。 我 們 選 擇 使 用 InGaAlAs 系列來作為主動層材料。其原因 是 InGaAlAs 就磊晶上來說比 InGaAsP 容易 控制，不管是固態成份的控制或是應力大 小的調整，以及介面的完美性，InGaAlAs 都不用考量到 As 和 P 之間切換的問題，使 得發展成本降低，以及時間效率提昇。另， InGaAlAs 的∆Ec 比 InGaAsP 來得大[4-5]， 在製成雷射後，electron leakage 的機會變 小，因此雷射的特性溫度(To)較高。圖二 為長好之磷化銦系列的主動層在鍵結前與 後的光激發頻譜(PL)。 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 0 1 2 3 4 5 6 Wavelength (nm) In te n si ty ( a. u .) Before fusion After fusion 圖二、發光主動層在鍵結 DBR 前後的光激 發頻譜比較圖。 由圖可知，發光的頻譜約在 1520 nm 左 右，在經過高溫及高壓鍵結 DBR 製程後， 光主動層的發光頻譜並沒有改變，表示主 動層沒受到破壞。但是由於在鍵結 DBR 之 後，因為往背面的被激發光將會被反射回 正面，故相對的光訊號會比較強，如圖所 示。 (二) DBR 成長 為了得到長波長 VCSEL 所需的高反 射率 DBR，本計畫是採用 SiO2/TiO2 及 GaAs/AlAs 來分別當上及下 DBR 鏡面。 GaAs/AlAs 是用 MOCVD 在砷化鎵基板上 磊晶成長，而 SiO2/TiO2是用 E-gun 蒸鍍機
完 成 。 因 為 SiO2/TiO2 折 射 係 數 差 比
GaAs/AlAs 大，故 SiO2/TiO2對只須 10 對，
而 GaAs/AlAs 必 須 25 對 。 圖 三 是 用 MOCVD 長好的 GaAs/AlAs DBR 及與主動 層鍵結前後的反射率頻譜比較圖。在融合 鍵結前，反射頻譜的截止帶(stop-band)有 150 nm，反射率達 99%以上。在鍵結之後， 由於主動層會吸收 1520nm 的光，故反射 頻譜在 1520nm 附近有一凹處，其反射率較 低。游實驗結果顯示，高溫及高壓的晶片 融合鍵結製程並不會影響 GaAs/AlAs DBR 的結構及反射率。 stainless tube furnace flange vacuum gauge pump-down N2 for purge H2 for process 100cm 50cm
圖三、GaAs/AlAs DBR 在鍵結前後的反射 頻譜圖比較圖。 (三) 雷射的製作 首先，分別在 GaAs 及 InP 基板上成長 高品質的 GaAs/AlAs DBR 及 MQW 主動 層，再將主動層晶片與 DBR 晶片利用融合 鍵結技術鍵結在一起。接著將 InP 的基板 移除。為了在鍵結後能將 InP 基板完全移 除而不會破壞到主動層，在長 MQW 主動 層 之 前 先 長 一 層 蝕 刻 停 止 層 (Etch-stop layer)。鍵結好的元件側視圖如圖四所示。 鍵結的製作是在溫度攝氏 600 o C 及一大氣 壓 H2的環境下完成的。在鍵結完成及移除 InP 基板之後，於 MQW 主動層的表面蒸 鍍 10 對的 SiO2/TiO2DBR 即完成光激發用 的長波長面射型雷射。 圖五為長波長面射型雷射的光激發光 圖，所使用的光激發源為 Ti-Sapphire 雷 射，波長為 900 nm。當激發光的強度為 500 mW 時，雷射的輸出光有明顯的增加，故 光激發臨界 power 為 500 mW。如此高的光 激發臨界 power 可能是因為主動層及 DBR 之 Gain offset 不匹配所導致，此現象可 由主動層的發光頻譜及共振腔的位置設計 來改善。 圖四、GaAs/AlAs DBR 及與 InP 主動層鍵 結後的電子顯微鏡側視圖。 0 100 200 300 400 500 600 0.0 0.2 P e a k I Pumping power (mW) 圖五、長波長面射型雷射的光激發光圖。 四、結論 本計畫於今年度已完成光激發光的長 波長 1500nm VCSEL 的設計與製作。使用 融合鍵結的方式整合磷化銦(InP)長波長 主動層到砷化鎵(GaAs)及介電材料系列的 高 反 射 率 布 拉 格 鏡 面 上 可 製 作 出 長 波 長的面射型雷射。未來在只要在 DBR 部分 加 p-type 及 n-type 的 dopant，優化長晶條 件，降低串聯電阻，便可製成導電的電激 發長波長 VCSELl。
五、參考文獻
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Mereuta, G. Saint-Girons, and M. Bensoussan, Electron. Lett. VOL. 37, NO. 8, 500 (2001).
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫執行
進度報告
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（計畫名稱）
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計畫類別：□個別型計畫
□整合型計畫
計畫編號：NSC － － － － －
執行期間：
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計畫主持人：
共同主持人：
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