行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 奈米結構光電元件之研究-子計畫一:含銻化合物半導體光電元件技術之研究 計畫編號:NSC 90-2215-E-002-036- 執行期限:90/08/01~91/07/31 主持人:林浩雄 執行單位:國立台灣大學電機工程學系 一.中文摘要 本研究以固態源分子束磊晶機在 砷化鎵基板上成長銻砷化鎵/砷化鎵量 子井。在銻砷化鎵/砷化鎵量子井方面， 所成長的銻砷化鎵/砷化鎵多層量子井 雷 射 結 構 在 室 溫 光 激 螢 光 譜 波 長 為 1.27µm，半寬為66.6meV。並且成功製 作出在室溫下起振的銻砷化鎵/砷化鎵 量子井雷射，放光波長在1.28µm，其起 振電流密度為210A/cm2。 關鍵詞:分子束磊晶，銻砷化鎵量子井。 Abstract
We have studied the growth of the GaAsSb/GaAs MQWs on GaAs by solid-source molecular beam epitaxy The emitting wavelength of GaAsSb/GaAs MQWs is 1.27µm with FWHM of 66.6 meV at room temperature. And room temperature 1.28µm lasers have been fabricated, and the threshold current density is as low as 210A/cm2.
Keywords: molecular beam epitaxy,GaAsSb quantum well 二.緣由與目的 具有第二型(type-II)帶排列形式的半 導體異質接面，由於其發光波長能較個別 材料來得更長，使得其在長波長應用方面 極具應用價值，故在近年來十分受到重 視。而銻砷化鎵/砷化鎵量子井本身為一 type-II的量子井，故可在砷化鎵基版上製 作放光波長在1.3um的雷射元件。目前已有 人發表在砷化鎵基板上成長的低起振電流 銻砷化鎵/砷化鎵量子井雷射[1]。此外， 在砷化鎵基板上成長的銻砷化鎵/砷化鎵 量子井面射型雷射也已成功將波長推展到 1.3µm[2]。是以，銻砷化鎵/砷化鎵量子井 在1.3µm的光纖通訊應用上極富潛力。 三.結果與討論 在銻砷化鎵/砷化鎵量子井的研究方 面，本研究以固態源分子束磊晶機在砷化 鎵基板上成長。使用傳統加熱管提供砷 源，銻裂解加熱管提供銻單原子作為銻 源。首先我們成長了銻砷化鎵/砷化鎵五週 的 多 層 量 子 井 (R1969) ， 長 晶 溫 度 為 500oC，長晶速率約1µm/hr，成長銻砷化鎵 量 子 井 厚 度 為 5nm ， 砷 化 鎵 障 壁 層 為 30nm。圖一為銻砷化鎵/砷化鎵多層量子 井的X-光繞射圖譜，其中上面為實驗曲 線，下面為擬合曲線，圖中實驗與擬合曲 線的吻合顯示樣品有相當好的磊晶品質。 由擬合曲線的結果得到銻砷化鎵中銻化鎵 的成份為0.332。圖二為其室溫光激螢光 譜 ， 其 放 光 波 長 在 1.238µm， 半 寬 為 67.5meV。我們也成長了銻砷化鎵/銻化鎵 雙量子井雷射結構(R1974)，其中銻砷化鎵 量子井厚度增加到7nm，銻砷化鎵中銻化 鎵含量為0.34。圖二為其室溫光激螢光譜 ( 將樣品蝕刻至波導層 )， 其發光強度較 R1969的五層量子井來得弱，而發光波長 在1.27µm，半寬為66.6meV。圖三為R1974 製作成寬面積雷射在室溫下的光輸出與注
入電流圖，由圖中可得知其雷射起振電流 密度為210A/cm2，與目前文獻中銻砷化鎵 /砷化鎵量子井雷射最好的結果極為接近 [3]。而圖三中的插圖為R1974雷射樣品的 放光頻譜，其共振腔長度為1540µm，注入 電流等於起振電流，由圖中知其雷射放光 波長在1.28µm。我們並量測其變溫特性， 由圖四得到其特徵溫度為60K，可在85o C 操作。而藉由量測不同共振腔長度的雷射 特性，如圖五所示，為其外部量子效率倒 數(inverse external quantum efficiency，1/?d) 對共振腔長度作圖，得到其內部量子效率 為62.8%，內部損耗為3.45cm-1。圖六則為 無限長共振腔起振電流密度的擬合圖，其 無限長共振腔起振電流密度約83A/cm2。 四.總結與成果自評 我們已經使用固態源分子束磊晶機於 長晶溫度500℃，成長速率1µm/hr的條件 下，成功的長出室溫光激螢光波長1.27µm 半高寬66.6meV的高品質銻砷化鎵/砷化 鎵雙量子井雷射結構。並成功地製作出室 溫下起振的1.28µm長波長銻砷化鎵/砷化 鎵 應 變 量 子 井 雷 射 ； 對 共 振 腔 長 度 為 1540µm，寬度為50µm的雷射，其起振電 流為210A/cm2，與目前文獻中銻砷化鎵/ 砷化鎵量子井雷射最好的結果極為接近。 參考文獻
1. M. Yamada, T. Anan, K. Tokutome, K. Nishi, A. Gomyo, and S. Sugou, Paper
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3. S. W. Ryu and P. D. Dapkus, Electron.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 ηi = 62.8% αi = 3.45 cm-1 1/ ηd Cavity Length (µm ) -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 R1969 GaAs 0.668Sb0.332/GaAs MQW Th/2Th(sec) 圖一：以固態源分子束磊晶所成長的銻砷 化鎵/砷化鎵多層量子井的X-光繞射圖譜。 圖三：銻砷化鎵/砷化鎵量子井雷射的光輸 出-注入電流圖譜。插圖為共振腔長度為 900µm的雷射放光頻譜圖，其注入電流為起 振電流。 圖二：銻砷化鎵/砷化鎵多層量子井R1969 和銻砷化鎵/砷化鎵雙量子井雷射結構主 動層的室溫光激螢光譜。 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 0.0 5.0x10-5 1.0x10-4 1.5x10-4 2.0x10-4 2.5x10-4 3.0x10-4 R1974 R1969 RT PL Measurement InGaAs detector PL Intensity(A.U.) Energy(eV) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1280 1282 1284 Cavity Length 1540µm 2µs pulse width, 500Hz Output power (W)
Driving Current (A)
λ = 1.28µm 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 . 7 0.8 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 20 30 4 0 5 0 6 0 70 80 90 5.5 6.0 6.5 ln(Ith) T0=60K Temperature(o C) R1974 L-I vs. Temperature T=25.5o C T=33o C T=43o C T=52o C T=61.3o C T=74o C T=85.7o C Output Power(W/facet) Drive Current(A) 圖四：銻砷化鎵/砷化鎵量子井雷射在不同 溫度下的光輸出-注入電流圖譜。插圖為共 振腔長度為特徵溫度的擬合圖，其特徵溫 度約60K 0 2 4 6 8 1 0 12 14 16 1 8 0 100 200 300 400 500 Jt h8=83 A/cm2
Threshold current density (A/cm
2 ) 1/Cavity Length (1/cm) 圖五：銻砷化鎵/砷化鎵量子井雷射的外部 量子效率倒數-共振腔長度圖譜。 圖六：銻砷化鎵/砷化鎵量子井雷射的無限 長共振腔起振電流密度擬合圖。
