【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）光通訊用磷化鋁鎵銦材料之物理特性分析與面射型半導(dǎo)體雷射模擬研究-物理學(xué)

國(guó)立彰化師范大學(xué)物理研究所 碩士論文 指導(dǎo)教授：郭艷光教授 光通訊用磷化鋁鎵銦材料之物理特性分析 與面射型半導(dǎo)體雷射模擬研究 of 究生：張志康撰 中華民國(guó)九十三年六月 i 國(guó)立彰化師范大學(xué)物理研究所 碩士論文 研究生：張志康 光通訊 用磷化鋁鎵銦材料之物理特性分析 與面射型半導(dǎo)體雷射模擬研究 of 論文業(yè)經(jīng)審查及口試合格特此證明 論文考試委員會(huì)主席 _ 委員： _ _ 指導(dǎo)教授：郭艷光博士 _ 所 長(zhǎng) ：吳仲卿主任 _ 中華民國(guó)九十三年六月 立彰化師范大學(xué) 博碩士論文電子檔案上網(wǎng)授權(quán)書(shū) (提供授權(quán)人裝釘于紙本論文審定頁(yè)之次頁(yè)用 ) 本授權(quán)書(shū)所授權(quán)之論文為授權(quán)人在 國(guó)立彰化師范 大學(xué) 物理 研究所 92 學(xué)年度第 二 學(xué)期取得 碩 士學(xué)位之論文。 論文題目： 光通訊用磷化鋁鎵銦材料之物理特性分析與面射型半導(dǎo)體雷射模擬研究 指導(dǎo)教授： 郭艷光 教授 茲同意將授權(quán)人擁有著作權(quán)之上列論文全文（含摘要），授權(quán)本校圖書(shū)館及國(guó)家圖書(shū)館，不限地域、時(shí)間與次數(shù)，以電子檔上載網(wǎng)路等數(shù)位化 方式，提供讀者基于個(gè)人非營(yíng)利性質(zhì)之線上檢索、閱覽、下載或列印。 論文電子全文上載網(wǎng)路公開(kāi)時(shí)間： 一、校內(nèi)區(qū)域網(wǎng)路： 立刻公開(kāi) 1 年后公開(kāi) 2 年后公開(kāi) 3 年后公開(kāi) 4 年后公開(kāi) 5 年后公開(kāi) 不公開(kāi) 二、校外網(wǎng)際網(wǎng)路： 立刻公開(kāi) 1 年后公開(kāi) 2 年后公開(kāi) 3 年后公開(kāi) 4 年后公開(kāi) 5 年后公開(kāi) 不公開(kāi) 指導(dǎo)教授：郭艷光 教授 研究生（授權(quán)人）簽名： （請(qǐng)親筆正楷簽名） 學(xué) 號(hào)： 90222006 中 華 民 國(guó) 93 年 07 月 22 日 謝 【 2003/4 初稿于埔里】 首先我最需感謝的是，讓我能夠如期完成這篇碩士論文的最大功臣 老師不但在我碩士生涯的這幾年中，費(fèi)盡心思的指導(dǎo)我研究知識(shí)之外，也教了我許多生活上做人、做事的大道理；況且，老師的人生與學(xué)術(shù)經(jīng)歷就像百寶箱一般，叫人怎么挖都挖不完，總是讓我有種說(shuō)不出的景仰與崇拜，老師！謝謝您！ 再來(lái)要感謝爸爸、媽媽、姐姐們的支持與鼓勵(lì)，讓我在求學(xué)過(guò)程中能不用擔(dān)心家中的事務(wù)，而順心地走下去；也謝謝訓(xùn)慈在日常生活上的鼓勵(lì)與陪伴，讓我在每個(gè)疲累的 埔里夜里，還能獨(dú)自保持勤奮不懈的精神，順利地將我的碩士論文完成。 謝謝實(shí)驗(yàn)室里已畢業(yè)的三位學(xué)長(zhǎng)姐（郁妮學(xué)姊，志原學(xué)長(zhǎng)，文偉學(xué)長(zhǎng)），帶著我一起熟悉各種模擬程式、各種實(shí)驗(yàn)儀器，讓我從原本的無(wú)知變成了熟悉，也讓我在研究過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)能有人互相討論，真的十分謝謝你們。其中，我要特別感謝郁妮學(xué)姊，感謝他在我碩一期間的努力拉拔，讓我學(xué)到了很多研究上的知識(shí)（但也學(xué)到了許多蠢事啦?。患尤牒繋秃?，我絕不后悔 多謝幫主指導(dǎo)。 謝謝實(shí)驗(yàn)室里所有的同學(xué)、學(xué)弟，尤其是嫚琳、勝宏、和光碩一的四位學(xué)弟，謝謝彰化的室友弘毅、國(guó) 欣、翊豪，碩二的好友騰懋、榮銓?zhuān)约捌抑型聡?guó)強(qiáng)、秀碧、美英、薇如、奇婉、王惠人老師，因?yàn)槟銈冏屛业纳畛錆M樂(lè)趣，也讓我在無(wú)聊時(shí)有人可以消遣。 謝 【 2004/6 校稿于彰化】 研究生兼物理老師的生涯終于邁向第三年的盡頭，最需要感謝的人還是我的指導(dǎo)教授郭艷光老師 (今年剛升教授喔 )；郭教授不僅在學(xué)業(yè)上給了我最大的指導(dǎo)，更在培養(yǎng)自我能力與未來(lái)人生觀的部分，給了我相當(dāng)多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，恩情所及更是無(wú)以回報(bào)。 再來(lái)還要感謝系上量力教的最好的楊淳青教授，楊教授不僅在課業(yè)上給了我許多的指導(dǎo)，每每在系上相遇時(shí)對(duì)志康的鼓勵(lì) ，更是讓我在求學(xué)的過(guò)程中充滿無(wú)限的溫馨。今年的我若能順利考上臺(tái)灣師大科教所博士班，楊教授應(yīng)該就是我成功的最大助力，在此一并感謝。 接下來(lái)還要感謝碩士生涯中最讓人感到窩心的一群實(shí)驗(yàn)室的學(xué)弟妹：勝宏 (未來(lái)本研究室的超強(qiáng)博士，幫助我畢業(yè)的最大功臣 )、漢義 (最佳枕邊人，并協(xié)助我許多寫(xiě)論文的雜務(wù)工作 )、孟倫 (光電所第一把交椅 )、正洋 (貼心男孩 )、育驊 (英文大師 )、尚衛(wèi) &秀芬 (夜晚研究的最佳陪伴 )、嫚琳 (最適合談八卦的對(duì)象 )、俊榮 (史上超強(qiáng)學(xué)弟，幫助我順利畢業(yè)的功臣之一 )、永政 (最捧場(chǎng)我說(shuō)笑話喇賽的好學(xué)弟 )；感謝你們。 最后就要感謝我的家人：爸爸媽媽 (養(yǎng)育成人 )、姊姊 (經(jīng)濟(jì)支柱 )、五舅全家 (提供彰化住宿 )、訓(xùn)慈 (心靈支柱 )；以及兩位口試委員：劉柏挺教授、黃滿芳教授對(duì)本篇論文的指導(dǎo)。然而，碩士頭銜若有任何榮耀的地方，都應(yīng)該歸功于年事已大，卻時(shí)時(shí)支持我繼續(xù)就學(xué)的父親 志康 (2004/6/21) v 目 錄 目錄 . v 中文摘要 . 英文摘要 x 圖表索引 .第一章 緒論 . 1 化鋁鎵銦發(fā)光元件之發(fā)展歷程 . 3 化鋁鎵銦發(fā)光元件之用途 . 9 纖通訊 9 碟機(jī)讀取頭 . 11 它 . 13 論與參考文獻(xiàn) . 16 第二章 文獻(xiàn)探討 化鋁鎵銦 材料性質(zhì) 的 研討 25 格匹配的問(wèn)題 25 能隙構(gòu)造的情形 27 晶成長(zhǎng)的方式 30 化鋁鎵銦的材料特性 (與 31 化鋁鎵銦 發(fā)光二極體之研討 33 光二極體之結(jié)構(gòu) 33 善光輸出的各種設(shè)計(jì) 38 子井活性層發(fā)光二極體 44 化鋁鎵銦 雷射二極體之研討 47 射二極體之結(jié)構(gòu) 47 射二極體之 各種設(shè)計(jì) 48 射二極體中漏電流的問(wèn)題 54 化鋁鎵銦 面射型半導(dǎo)體雷射之研討 56 射型半導(dǎo)體雷射之結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)介 56 拉格反射鏡的設(shè)計(jì)原理 60 性層的設(shè)計(jì)原理 64 射型半導(dǎo)體雷射之優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用 66 論與參考文獻(xiàn) 69 第三章 磷化鋁鎵銦之晶體結(jié)構(gòu)與物理特性的模擬分析 76 擬軟體簡(jiǎn)介 78 子排列之方式與晶體結(jié)構(gòu) 80 射率 84 帶與能隙 87 論與參考文獻(xiàn) 93 第四章 光通訊用磷化鋁鎵銦面射型半導(dǎo)體雷射之模擬 光磷化鋁鎵銦面射型半導(dǎo)體雷射之發(fā)展歷程 97 通訊用 654 射型半導(dǎo)體雷射之研究 98 擬軟體簡(jiǎn)介 100 研究之模擬結(jié)果與長(zhǎng)晶實(shí)驗(yàn)值之比對(duì) 100 擬分析 654 射型半導(dǎo)體雷射之較佳結(jié)構(gòu) 107 用不同之結(jié)構(gòu) 107 材料選擇與厚度設(shè)計(jì) 111 化 119 變化活性層不同 成分值及量子井寬度 121 化量子井個(gè)數(shù) 125 化光輸出之孔徑大小 127 化元件溫度找材料之特征溫度 128 論與參考文獻(xiàn) .第五章 結(jié)論 139 附錄 A 論文發(fā)表清單 .141 I 認(rèn)定英文雜志論文： 1 篇 討會(huì)論文： 5 篇 141 文摘要 本論文主要在探討磷化鋁鎵銦所制成的發(fā)光或雷射二極體之半導(dǎo)體理論、該材料之物理特性、以及紅光磷化鋁鎵銦面射型雷射的理論回顧與模擬分析。在文章的一開(kāi)始首先簡(jiǎn)介磷化鋁鎵銦相關(guān)系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其材料特性，并對(duì)此一材料所形成的各種應(yīng)用結(jié)構(gòu)（發(fā)光或雷射二極體與面射型雷射）之性能，作一些完整的回顧與介紹。 在文章的主體部分，我利用兩套模擬軟體（ 探討磷化鋁鎵銦的材料基本特性與模擬紅光面射型雷射之各項(xiàng)光學(xué)特性及雷射性能；而我也將研究重點(diǎn)放在 654 光面射型雷射的模擬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上 ，期能找出較佳的元件結(jié)構(gòu)以提供相關(guān)研究人員作參考。 在 部分，由于半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)主宰著發(fā)光元件的特性，況且，影響發(fā)光波長(zhǎng)甚巨的能帶間隙，更是元件設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵所在；因此，我除了利用該模擬軟體來(lái)探討磷化鋁鎵銦材料的能帶間隙之外，亦將模擬時(shí)所得到的各項(xiàng)物理性質(zhì)與研究學(xué)家的實(shí)驗(yàn)值作了比對(duì)分析，結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間有很好的一致性。 在 部分，為了設(shè)計(jì)出光通訊用較佳的紅光面射型雷射，我試著用模擬的方式去變化元件中的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)，并從各種變化中去找出雷射性能較佳的一組結(jié)構(gòu)，結(jié)果，成功 地設(shè)計(jì)出高效率、高性能的雷射，且該元件對(duì)溫度的穩(wěn)定性亦相當(dāng)良好，在未來(lái)的市場(chǎng)上，可望該種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的面射型雷射能盡快地成為主流，在臺(tái)上市。 x n I of of I to of I of A of to is of I to of to of is to 54in be of to in In of in to of is of to in to my xi by I to of my in by In in to an I to of to As a a is In of is at It is my s in 表索引 圖 (a)第一具能在室溫下操作的磷化鋁鎵銦連續(xù)波雷射結(jié)構(gòu)圖； (b)為 (a)所示的元件之電流對(duì)輸出功率隨溫度變化圖 .圖 吸收頻譜 .10 圖 室溫及長(zhǎng)晶溫度下， (a)磷化鎵銦中鎵的比例， (b)磷化鋁銦中鋁的比例，和晶格常數(shù)的關(guān)系圖 .圖 .圖 (.圖 在 P 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電帶，價(jià)電帶偏差與成分 y 之關(guān)系 .圖 室溫載子濃度、載子移動(dòng)率與 分 x 在 (P 中之關(guān)系 (a)(b)圖 發(fā)光二極體不同的電歐姆接觸方法 圖 .圖 比較不同材料及不同厚度之窗口的電流分 布圖 圖 比較 同厚度窗口材料之電流分布圖 圖 有無(wú)透明傳電的電流分布層之各項(xiàng)比較圖 圖 有吸收性基板、透明基板及加上 光輸出之比較圖 . 片在不同結(jié)構(gòu)時(shí)光輸出之示意圖 圖 不同 口層厚度時(shí)光輸出之比較圖 用 射鏡之 構(gòu)圖與比較有無(wú) 射鏡時(shí)光輸出與電流之關(guān)系圖 圖 使 用不同的基板時(shí)光輸出與電流之關(guān)系圖 圖 使用透明基板時(shí)光之穿透率和波長(zhǎng)關(guān)系與其 性能圖 43 圖 量子井活性層結(jié)構(gòu)與其光輸出圖 圖 有補(bǔ)償應(yīng)變多量子井結(jié)構(gòu)與其光輸出圖 圖 有壓縮應(yīng)力電障被覆層結(jié)構(gòu)與其光輸出圖 圖 有伸張應(yīng)力電障被覆層結(jié)構(gòu)與其光輸出圖 圖 最常用的兩種 (P 雷射結(jié)構(gòu)圖 47 圖 異質(zhì)雷射結(jié)構(gòu) (a)一般的 (b)有雙披覆層 48 圖 (48 圖 在 P 雙異質(zhì)雷射結(jié)構(gòu)中成分 x 與臨界電流 0之關(guān)系圖 49 圖 .圖 比較活性層量子井在三種不同受力情形下之能帶情況 圖 P 含應(yīng)力量子井之厚度與波長(zhǎng)關(guān)系 圖 633 長(zhǎng) 子井雷射臨界電流與應(yīng)力大小之關(guān)系 圖 由 能隙圖分析該結(jié)構(gòu)之漏電流與 4 圖 子井雷射， 覆層在高電洞濃度 (p=1018 低電洞濃度 (p=1018 ，臨界電流與溫度之關(guān) 圖 一般常見(jiàn) 56 圖 四種基本結(jié)構(gòu) 57 圖 氧化率與 量、厚度之關(guān)系圖 圖 有氧化層與無(wú)氧化層之 60 圖 .61 圖 在不同反射率時(shí)，臨界電流與活性層厚度之關(guān)系圖 .圖 用三種不同材料得到的反射率與周期數(shù)目之關(guān)系圖 .63 圖 圖 上下 65 圖 雷射增益與共振波長(zhǎng)之關(guān)系圖 .66 圖 側(cè)射型雷射與面射型雷射的示意圖 圖 半導(dǎo)體常見(jiàn)的兩種結(jié)構(gòu)圖 圖 三種二元磷化物的 .82 圖 三種二元磷化物的 .圖 .圖 折射率圖 .圖 折射率圖 .圖 能帶結(jié)構(gòu)圖 .圖 能帶結(jié)構(gòu)圖 .圖 能帶結(jié)構(gòu)圖 . 料之晶格常數(shù)對(duì)能帶間隙之關(guān)系圖 圖 初步模擬的元件結(jié)構(gòu)圖 .99 圖 實(shí)驗(yàn)值與模擬值之雷射輸出對(duì)輸入電流關(guān)系圖的比較 .圖 立體圓柱形 構(gòu) 圖 不同元件直徑（ 30 m 及 60 m）的 射性能圖 .圖 變化電流集中灑下元件結(jié)構(gòu)之頂部區(qū)域大小所得之 較圖 .圖 不同元件大小與不同長(zhǎng)晶結(jié)構(gòu)的 射性能圖 圖 光波行經(jīng)不同折射率之材料時(shí)的示意圖 .圖 113 圖 圖 不同 數(shù)臨界電流與雷射效能圖 115 圖 不同 雜濃度的輸入電流對(duì)輸出功率圖 .圖 不同 料之 能比較圖 .圖 不同 料之 射頻譜比較圖 117 圖 不同 圖 不同雷射共振腔長(zhǎng)的輸入電流對(duì)輸出功率圖 .圖 模擬不同井寬對(duì)自發(fā)輻射頻譜的關(guān)系圖 .圖 自發(fā)輻射率頻譜圖 .圖 活性層中使用不同應(yīng)力時(shí)的雷射性能比較圖 .圖 不同量子井個(gè)數(shù)的雷射性能圖 . (a)三個(gè)量子井的位置與光子駐波的迭合圖； (b)活 性層的電子電洞結(jié)合率與長(zhǎng)晶方向的位置關(guān)系圖 .圖 不同光輸出孔徑之 能比較圖 圖 變化元件操作溫度的雷射性能圖 .圖 溫度與臨界電流之關(guān)系圖 .圖 元件之增益頻譜圖 .圖 靠近活性層之能帶曲線圖 .圖 輸入電流對(duì)次強(qiáng)模式壓制比例與輸出功率的關(guān)系圖 .圖 臨界電流前后的雷射頻譜圖 .表 高功率 12 表 理論模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之各種磷化物的 91 表 完整的核心程式 . 第一章 緒論 光電半導(dǎo)體在二十一世紀(jì)的社會(huì)上由于研究人員大量的投入與研發(fā)而備受矚目，舉凡生活周遭各種最新科技的產(chǎn)品：如交通號(hào)志燈、電子廣告看板、 機(jī)、光纖傳輸系統(tǒng)、工業(yè)及醫(yī)療用雷射 等，沒(méi)有一樣?xùn)|西不與光電半導(dǎo)體有關(guān)。本篇論文所探討的主題，主要鎖定在兩大部分：一部份在探討光電半導(dǎo)體中最常見(jiàn)的發(fā)光二極體（ 雷射二極體（ 各種理論與實(shí)務(wù)分析，以及磷化鋁鎵銦（ 料之物理特性；另一部份則在設(shè)計(jì)與模擬光纖通訊用的面射型雷射（ 發(fā)明不但比一般傳統(tǒng)光源發(fā)光的效率還高，且成本也逐漸低廉，未來(lái)勢(shì)必成為照明的主力；而在 部分由于其發(fā)出的雷射光訊號(hào)較容易耦合于光纖中，并且已經(jīng)有不少公司在投入與發(fā)展這一類(lèi)的半導(dǎo)體雷射， 預(yù)計(jì)在未來(lái)的市場(chǎng)占有率也會(huì)逐漸普及。 目前在可見(jiàn)光區(qū)域的光電半導(dǎo)體中，以 紅黃光材料以及氮化銦鎵（ 藍(lán)綠光材料居于主導(dǎo)的地位；由于 料的發(fā)展歷史約有二十多年之久，相較于僅啟蒙十多年的 料，料的光電半導(dǎo)體遠(yuǎn)比 料來(lái)的成熟許多，在應(yīng)用上也就更能被研究學(xué)家完整的掌握，這也就是為什么在本篇論文中要以 2 料當(dāng)成研究對(duì)象的主因。然而，在早期的半導(dǎo)體雷射大多屬于砷化鋁鎵（ 砷磷化銦鎵（ 種 材料為主，就可見(jiàn)光區(qū)而言，三者中又以 料系統(tǒng)具有最寬的直接能隙（發(fā)光范圍橫跨紅光到綠光之間），遠(yuǎn)比 能發(fā)紅外光及紅光）的發(fā)光范圍大了許多。況且，為了因應(yīng)近年來(lái)高密度光儲(chǔ)存及光通訊的蓬勃發(fā)展，便必須采用較高功率且短波長(zhǎng)的雷射才能達(dá)成這樣的需求，因此， 料也就自然躍升為各界對(duì)半導(dǎo)體雷射研究的主流。 除此之外， 料系統(tǒng)具有良好的長(zhǎng)晶品質(zhì)，以及晶格匹配（ 導(dǎo)電的基板，充分擁有了商業(yè)化的實(shí)力，因此即使到了今日，這個(gè) 材料系統(tǒng)依舊深受重視及廣泛的被研究探討。在本章節(jié)中，我將對(duì) 料的發(fā)展歷程與其發(fā)光元件的用途作一個(gè)詳細(xì)說(shuō)明，并在本章節(jié)的最后探討 料的各種應(yīng)用。 3 化鋁鎵銦發(fā)光元件之發(fā)展歷程 紅光雷射的應(yīng)用極廣，例如： 射、印刷、醫(yī)療以及測(cè)量 等。為了要做紅光雷射，很多 -及 -族半導(dǎo)體材料也就紛紛的被拿出來(lái)做探討與比較，其中，最成功的材料應(yīng)該是 。此乃由于 在晶格匹配的砷化鎵（ 板上時(shí)，不但可以得到 600 700 短波長(zhǎng)雷射，且其室 溫連續(xù)震蕩的雷射亦于 1985 年第一次做成功 1-3，現(xiàn)已可買(mǎi)到其商品。目前所研究開(kāi)發(fā)的紅光射之中，大多以 光纖通訊用之雷射為主，在高科技產(chǎn)業(yè)上 就成了不可或缺的元件之一。接下來(lái)就讓我們一起回顧 光元件發(fā)展勝出的歷程。 1990 年以前，半導(dǎo)體雷射的研究重點(diǎn)多著重于 料系統(tǒng)，然而當(dāng)時(shí)此材料系統(tǒng)室溫連續(xù)震蕩的雷射波長(zhǎng)最短極限為 680 4，所以過(guò)去的半導(dǎo)體雷射只能發(fā)在長(zhǎng)波長(zhǎng)的區(qū)段，這也就是為什么早期的雷射光都是以紅光居多的主因。但為何 料系統(tǒng)會(huì)有這樣的一個(gè)問(wèn)題呢？其主要原因有三 5：第一，當(dāng)發(fā)光波長(zhǎng)越短， 含量就必須增加，而使得直接能隙中導(dǎo)電帶的最低點(diǎn) ，會(huì)越接近間接能隙中導(dǎo)電帶的最低點(diǎn) ，造成電子電洞的有效結(jié)合率減少；電子電洞一旦無(wú)法大量結(jié)合時(shí)，雷射的臨界電流便會(huì)嚴(yán)重的增加；第二，長(zhǎng)晶的過(guò)程中 與其它原子產(chǎn)生反應(yīng)，造成活性層中有許多缺陷產(chǎn)生，使發(fā)光效率變差；第三，良導(dǎo)電率的高 分 覆層并不容易制成?；谶@樣的情況，使得 發(fā)光波長(zhǎng)無(wú)法往短波長(zhǎng)發(fā)展下去， 4 再加上當(dāng)時(shí)高密度光儲(chǔ)存、印表機(jī)及 光通訊等方面對(duì)短波長(zhǎng)發(fā)光源迫切的需求，使得各界紛紛將注意力轉(zhuǎn)向具有較大能隙的 料系統(tǒng)上。 此外， 料系統(tǒng)亦擁有良好的基板 供使用，對(duì) 言， 但可與其晶格匹配，且組合而成的半導(dǎo)體元件又可直接導(dǎo)電，真可算是上帝賜予的恩物。在長(zhǎng)晶方面， 料系統(tǒng)的長(zhǎng)晶方法，舍棄了半導(dǎo)體發(fā)展之初最普遍被使用的液相磊晶法（ 而改用今日常見(jiàn)的有機(jī)金屬氣相磊晶法（ 分子束磊晶法（ 磊晶，這是因?yàn)?適合長(zhǎng)量子井或超晶格結(jié)構(gòu)；且 控制長(zhǎng)晶溫度時(shí)，很難將 固液相態(tài)達(dá)成穩(wěn)定平衡，導(dǎo)致 料無(wú)法很有效率的制成。因此，現(xiàn)今的 料系統(tǒng)皆是用 磊晶而成。 最先使用 個(gè)半導(dǎo)體材料的時(shí)間可追溯到 1982 年時(shí)，由T. 人提出 6。他們首次于低溫下得到了 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雷射光，其實(shí)驗(yàn)操作的溫度為 90 K，并使用氬離子雷射（ 514.5 激發(fā)光源，得到雷射的輸出波長(zhǎng)為 647 在此實(shí)驗(yàn)中 T. 人 發(fā) 現(xiàn) ： 使 用 異 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 的 光 激 螢 光（ 光強(qiáng)度，為單一層 十倍。因此，推論得知：在磊晶時(shí)若使用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，會(huì)形成較佳的晶層及晶面品 5 質(zhì)，可以提高元件的發(fā)光效率，這也就是為何后來(lái)各界在 件制作時(shí)皆采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的原因。 1983 年時(shí)， I. 7、 H. 8和 D. C. 9等人分別成功的制作出在室溫下利用電激發(fā)操作的 沖雷射，其中 I. 利用 長(zhǎng)出其宣稱(chēng)的 沖雷射，而 H. Y. 片則是使用 長(zhǎng)成。于隔年， 1984 年，M. 10便在低溫下得到了可以發(fā)出連續(xù)波雷射光的 導(dǎo)體雷射，其活性層為 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，雷射的輸出波長(zhǎng)為 653 圖 a)第一具能在室溫下操作的 續(xù)波雷射結(jié)構(gòu)圖 3； (b)如 (a)所示的元件之電流對(duì)輸出功率隨溫度變化圖。 第一具能在室溫下操作的 續(xù)波雷射，則是于 1985 年間誕生，分別由 M. 1、 K. 2和 M. 3等人用造而成；其中 M. 做的元件結(jié)構(gòu)如圖 1.1(a)所示， 6 整個(gè)元件的大小為長(zhǎng) 250 m、寬 7 m 的 狹長(zhǎng)形塊狀結(jié)晶，活性層為 (P/P 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，基板為(100)方向的 操作溫度為 24 C 時(shí)，雷射的輸出波長(zhǎng)為 679 界電流為 109 此結(jié)構(gòu)下，若將元件的操作溫度從 24 C 逐漸提升至 51 C 時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的上升，該雷射之臨界電流會(huì)增加，且其量子效率也會(huì)隨之變差，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 1.1(b)所示。 能夠得到室溫下操作的連續(xù)波雷射，是 料元件發(fā)展的一項(xiàng)重要成 就，然而，建筑在該成就之上的后續(xù)發(fā)展，大多都是針對(duì)縮短波長(zhǎng)與改良元件性能兩方面的研究。其中，對(duì)于縮短波長(zhǎng)方面，是以氦氖雷射（ 632.8 目標(biāo)，當(dāng)時(shí)各界常使用的方法有以下三種 5： (一 )使用四元的活性層 11-17：由于 件發(fā)展之初，活性層多采用三元的 料，若改用多加了 分的活性層，會(huì)使能隙變大，達(dá)到波長(zhǎng)變短的目的； (二 )使用量子效應(yīng) 18-20：將活性層厚度變薄，直到能階變成不連續(xù)，使第一階能階不再緊貼著導(dǎo)電帶的最低點(diǎn)及價(jià)電帶的 最高點(diǎn)，如此會(huì)導(dǎo)致電子實(shí)際跳躍的能隙寬度變大，也可以達(dá)到使波長(zhǎng)變短的目的； (三 )將磊晶層長(zhǎng)在 板略偏于 (100)的方向上 21-23：由于如此會(huì)造成磊晶層能帶變化，使得能隙寬度變寬，所以也能達(dá)到波長(zhǎng)變短的目的。于 1992 年時(shí)，室溫下的 續(xù)波雷射波長(zhǎng)，已經(jīng)可以短至 615 24。在改良元件性能方面，則可大致分為幾個(gè)研究的方向，如： (一 )提高光輸出功率 25-29、(二 )降低臨界電流 30-32、 (三 )提高操作溫度上限 33,34、 (四 )延長(zhǎng)元件 7 使用 壽命 35-39 等。 當(dāng)人們?cè)诓粩喔纳?射元件性能的同時(shí)，有一個(gè)問(wèn)題一直無(wú)法徹底克服，那就是雷射輸出光點(diǎn)的形狀。由于主宰發(fā)光的活性層在側(cè)邊方向?yàn)橐华M長(zhǎng)形，所以射出的雷射光就會(huì)因?yàn)槔@射的影響，呈現(xiàn)直立的橢圓形；如此一來(lái)，在掃描、列印、儲(chǔ)存資料或聚焦進(jìn)光纖時(shí)，都會(huì)帶來(lái)極大的困擾。由于該問(wèn)題的存在，這才使得后期的研究趨向紛紛轉(zhuǎn)向面射型雷射的部分。 面射型雷射的發(fā)展史應(yīng)該要從 1972 年算起，由 H. 人做出了第一具能在低溫下操作的 40，其活性層材料為 雷射波長(zhǎng)為 1300 當(dāng)時(shí)共振腔所使用的反射面為金屬面。于 1982年時(shí)，首度由 R. D. 41設(shè)計(jì)出在基板上改長(zhǎng)多層膜反射層來(lái)取代金屬面的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)不但奠定了今日 構(gòu)的雛形，也徹底改善了 板吸光的問(wèn)題 42。 1992 年，由于長(zhǎng)晶技術(shù)的成熟， R. P. 表了第一具能在室溫下操作的光激發(fā) 43； 1993 年， K. 作出能在室溫下利用電激發(fā)操作的沖 4；同年，第一具能在室溫下 操作的 續(xù)波 生 45，由 J. A. 制作，其多層膜反射層的材料與之前的 同，皆是使用砷化物中的 在紅光面射型雷射的部分，除了 1993 年有 K. J. A. 人的設(shè)計(jì)發(fā)展之外，集大成的學(xué)者應(yīng)可歸功于 K. D. 996 8 年所發(fā)表的一篇論文短波長(zhǎng) 續(xù)波高功率輸出 46，其發(fā)光波長(zhǎng)在 652 續(xù)波輸出功率可達(dá) 后，事隔四年，一直到 2000 年時(shí)，該類(lèi)研究才陸續(xù)出現(xiàn)新的突破，如 K. D. 47、 J. D. 48、 M. 49、 J. A. 50等等，在這些學(xué)者的研究下，短波長(zhǎng) 出功率的最大值，已經(jīng)可達(dá) 2 50。 2002 年，又由 A. 人首次做出超高功率 670 51，其功率甚至可高達(dá) 10 驚人威力。在 A. 人這般如此傲人的成績(jī)下，似乎更引領(lǐng)著紅光 研究，到達(dá)了無(wú)遠(yuǎn)弗屆的里程碑，其后于 2003 年的研究新發(fā)現(xiàn)，我們將會(huì)在論文第四章的部分，再做詳細(xì)的說(shuō)明與分析。 9 化鋁鎵銦發(fā)光元件之用途 纖通訊 光纖通訊因?yàn)殡娔X及網(wǎng)路通訊之發(fā)達(dá)已日趨重要，然而，光纖通訊所需要之傳輸光源，亦是極為重要的一環(huán)。目前被應(yīng)用的光源有側(cè)射型（ 光二極體、面射型（ 光二極體、另有側(cè)射型雷射二極體以及面射型雷射等等；這些各式各樣的光源，我們都會(huì)在之后的各章節(jié)中再分別去探討。 除了需要考慮 光纖通訊所需要之光源之外，如何選擇所使用的光纖材料也是相當(dāng)重要的一環(huán)。就當(dāng)今社會(huì)的通訊而言，由于塑膠光纖（ 成本較玻璃光纖（ 很多，容易達(dá)成光纖到家（ o 目標(biāo)，且由于 有彈性，中心核線的半徑大，所以容易接合及操作，且光容易輸入，因此，廣泛的被使用在短程的通訊上，如辦公室、研究機(jī)關(guān)、大樓或社區(qū) 等。 在各類(lèi)常見(jiàn)的塑膠光纖中，我們?nèi)?52、 53、 54，和 55這四種文獻(xiàn)上所提到之塑膠光纖并觀察它們的吸收頻譜 ，從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)上我們得知：這四種類(lèi)型的塑膠光纖分別在入射光波長(zhǎng)為 580 570 565 650 670 有相對(duì)極低吸收的窗（ 吸收頻譜如下頁(yè)圖 0 所示。從圖 可以看出： 570 衰減（ 為 dB/m 5， 565 衰減為 dB/m；而 650 670 衰減約只有 dB/m，在這四種材料的比較下，我們似乎可以確定 塑膠光纖是最不會(huì)吸收訊號(hào)光源的一種材料。 圖 吸收頻譜。 因此，當(dāng)我們選擇 利用 650 670 訊號(hào)傳輸?shù)墓庠磿r(shí)，此種組合在短程的距離內(nèi)，其訊號(hào)可以比 選用其他波長(zhǎng)的光源或是其他塑膠光纖的材料還要來(lái)的清楚許多；就此觀點(diǎn)切入，我們?nèi)裟芎煤迷O(shè)計(jì)出適用于 短程通訊上，該種雷射在未來(lái)的市場(chǎng)勢(shì)必會(huì)成為最有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)發(fā)明。 11 碟讀取頭 光 已被拿來(lái)做光碟機(jī)讀取或儲(chǔ)存時(shí)的光源所使用，尤其是數(shù)位多功能光碟或數(shù)位影音光碟系統(tǒng)；同時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)的雷射波長(zhǎng)亦從原先 遍應(yīng)用的 780 到 630 650 短波長(zhǎng)區(qū)段來(lái)使用。其道理可用簡(jiǎn)單的想法做解釋?zhuān)寒?dāng)光源的波長(zhǎng)縮短時(shí)，雷射光打在 的光點(diǎn)便隨之 減小，因而導(dǎo)致可儲(chǔ)存在 的資料點(diǎn)相對(duì)的增加，如此一來(lái)，相同的一片 可載入較多的容量，如此的改良，主要還是為了市場(chǎng)上的需求而設(shè)計(jì)的。 如果只是波長(zhǎng)減短的關(guān)系，則光碟儲(chǔ)存量也只能增加約 （ 07 8 0 2222 n e wo ）而已。但事實(shí)上，因?yàn)槎滩ㄩL(zhǎng)雷射只需要于碟片下方 0.6 對(duì)焦；而現(xiàn)有的 需于碟片下 1.2 才能對(duì)焦；所以， .4 .2 m 左右，然而，這又是什么原因所造成的呢？在此，我們可引用 理 56來(lái) 加以說(shuō)明：雷射光點(diǎn)半徑的形成，主要是因?yàn)榫劢雇哥R并非無(wú)限大而產(chǎn)生的，而其關(guān)系式可以寫(xiě)成： ；其中， q 表光點(diǎn)半徑， a 為聚焦透鏡的直徑，而 f 表焦距。因此，由關(guān)系式中我們可以得知，當(dāng)聚焦透鏡不變 (、 a 為定