交通大學光電所

圖片說明
交通大學光電所的盧廷昌、郭浩中及王興宗教授所領導的研究團隊等人成功的利用混合式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflectors, DBR)製作出室溫電激發氮化鎵材料之垂直型共振腔面射型雷射。本雷射結構具有一組氮化鋁與氮化鎵布拉格反射鏡、七倍的光學波長主動層與一組氧化物反射鏡。此氮化鎵與氮化鋁布拉格反射鏡及主動層是由金屬有機化學汽相沉積法(Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)方式製作。其中氮化鋁與氮化鎵布拉格反射鏡因為具有極大的晶格不匹配的問題,因此我們穿插多層超晶格結構於此反射鏡中藉此減少應力的產生進而增加此反射鏡之反射率,相關內容已發表於 Appl. Phys. Lett 期刊 並且獲得日本專利。2010年10月 Compound Semiconductor 雜誌撰文讚揚此一研究成果。

自從氮化鎵材料被Nakamura教授成功的以有機金屬化學氣相沈積法(Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)磊晶長成之後,此材料便引起學業界極高的興趣並且投入大量的資金研發。氮化物系列之材料及其合金為直接能隙,因此適於發展高功率與低耗能的光電發光元件,如藍紫外光發光二極體(ultra-violate light emitting diode, LED)或雷射二極體(laser diode, LD)。氮化鎵面射型藍光雷射(vertical cavity surface emitting diodes, VCSEL)具有一般半導體雷射之優點,如體積小、可靠度高、高效率、壽命長、操作時間短等特色,除此之外,與目前的常使用之邊射型雷射(edge emitting laser, EEL)相比,具有更多的優點,如較低的雷射操作功率、較小的雷射發散角、圓形雷射光束、元件製程技術適於大量生產、磊晶片在未切割及封裝前即可進行晶粒特性檢測,後端的製作成本較低等,因此目前如日本與瑞士等國家正積極的致力於氮化鎵垂直共振腔面射型雷射的開發與設計。

在2008年,本實驗室發表了低溫77K直流電激發具混合式反射鏡之氮化鎵垂直型共振腔面射型雷射元件,此結果不但發表於國際著名期刊Appl. Phys. Lett之中,同時獲選為國際雷射與光電元件著名會議(CLEO)當年度三大熱門主題。此外,Laser Focus、Compound Semiconductor及SPIE Newsroom等國際著名雜誌紛紛報導此雷射結果。然而為了達到商業化應用之價值,即室溫直流電激發操作之氮化鎵垂直型共振腔面射型雷射,交通大學光電所的盧廷昌、郭浩中及王興宗教授所領導的研究團隊等人成功的利用混合式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflectors, DBR)製作出室溫電激發氮化鎵材料之垂直型共振腔面射型雷射。本雷射結構具有一組氮化鋁與氮化鎵布拉格反射鏡、七倍的光學波長主動層與一組氧化物反射鏡。此氮化鎵與氮化鋁布拉格反射鏡及主動層是由金屬有機化學汽相沉積法(Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)方式製作。其中氮化鋁與氮化鎵布拉格反射鏡因為具有極大的晶格不匹配的問題,因此我們穿插多層超晶格結構於此反射鏡中藉此減少應力的產生進而增加此反射鏡之反射率,相關內容已發表於Appl. Phys. Lett期刊並且獲得日本專利。此外,為了增加載子的復合效率與減少光之損耗,我們在七倍的光學波長主動層中穿插一層氮化鋁鎵電子阻擋層與一層約30 nm的極薄ITO薄膜層,兩層結構均位於多重量子井的上方。最後再藉由黃光微影技術及電子束蒸鍍技術將p型電極、n型電極及上層氧化物反射鏡製作於雷射元件之中,最後具混合式反射鏡之氮化鎵垂直型共振腔面射型雷射便製作完成,如圖所示。

藉由電激發量測系統,本雷射在室溫量測得出雷射特性。從雷射強度與注入之電流的關係圖中,得出雷射的臨界操作電流約為9.7 mA,相對應之臨界電流密度約12.4 kA/cm2,然而因為在高電流注入時所產生的熱效應,使載子的複合效率下降且雷射的輸出功率同時降低。在雷射操作電壓與注入電流關係圖中,得到雷射起始電壓約為4.3 V並且具有約180歐姆的串聯電阻,此數值幾乎可以與砷化鍺的垂直型共振腔面射型雷射相比擬。此外,雷射的主要發光波長在412 nm並且具有半高寬約0.5 nm。極化程度與雷射發散角分別為55 %與8度。在CCD影像中,本雷射光點約為2 μm,原因在於InGaN材料本身的不均勻特性所導致。此外,自發輻射耦合效率約為5*10-3,此結果與一般的邊射型雷射相比約高達100倍之高,代表其效率被微共振腔結構大幅提高。相關的內容已被Appl. Phys. Lett期刊所接受並且被國際著名研討會ISLC邀請發表口頭報告相關之內容。