半導體雷射技術 盧延昌、王興宗 著

長波長垂直共振腔面射型雷射

半導體VCSEL 具有圓型的雷射光點、低發散角、低閾值電流、高調變速度與頻寬和方便的晶片上即時測試等優點，因此為理想的光纖通訊光源。而在長距離的光纖通訊系統中，其光纖材料一般使用石英光纖(silica fiber)，這是由於石英光纖在長波長紅外光範圍時具有最低的色散(dispersion)與最小的光學損耗(loss)，其所對應的波長分別是1.3 與1.55μm，如圖4-14 所示。 長距離的光纖通訊對於訊號在光纖中傳遞的損失必須列為重要的考量之一，由圖4-14(a)中可以觀察到，石英光纖內的光損耗主要是由紅外線吸收以及Rayleigh 散射這兩個機制所造成。

當傳輸的光波長為1.3 以及1.55μm 時，會有一個較低的損耗窗口，特別是在傳輸波長為1.55μm 時，其損耗將低至每公里0.2 dB。

除了探討光在光纖傳遞中的損失外，保持訊號波形的完整性也是另一個必須考量的重要因素。圖4-14(b)為在石英光纖中，材料色散係數對波長的關係圖。 從圖中可以知道在石英光纖內，不同波長的光在其中傳遞會有不同的色散程度，若色散程度過大的話，會容易造成傳輸訊號的波形變形，因而限制了傳輸的距離。圖4-14(b)顯示當傳輸波長在1.3μm 附近時，其材料色散係數值為零。

因此，雖然從前面光損耗的分析中我們可以知道，傳輸波長為1. 3μm 的損失值比1 因此，雖然從前面光損耗的分析中我們可以知道，傳輸波長為1.3μm 的損失值比1.55μm 來得大，但由於其色散程度最低，訊號的波形在經過長距離的傳遞後最容易保持其完整性，因此仍然被普遍用來當作中長程光纖通訊的傳輸波長。

以GaAs 為材料系統的短波長VCSEL(0. 78~0 以GaAs 為材料系統的短波長VCSEL(0.78~0.98μm)已經發展的相當成熟， 並且已有許多商品化的產品出現。然而操作在長波長的VCSEL(1.3~1.55μm)，其發展相較於GaAs 為材料的VCSEL 緩慢許多，即使第一個VCSEL(~1.3μm)已在1979 年成功在低溫下實現，但是在低溫下操作的元件很難達到商品化。

其中導致發展緩慢的重要因素即為長波長DBR 的製作困難以及在高溫下量子井主動區增益不足的現象，除此之外，長波長DBR 材料無法利用自然氧化的方式製作光與電流的侷限，以及長波長材料系統的導熱較差等，都是讓長波長VCSEL 發展緩慢的重要因素。

一般而言，長波長VCSEL 主要成長於InP 基板上，然而晶格匹配於InP 基板的InGaAsP 主動層材料系統卻因為嚴重的Auger 非輻射復合效應導致相當低的材料增益。此外，晶格匹配於InP 基板長波長DBR 材料系統。 如InP / InGaAsP 與InAlAs / InGaAlAs 只能提供相對小的折射率差異，這也讓長波長的DBR 必須成長相當高的對數才能達到高反射率的需求，在這樣的DBR材料系統下除了大的穿透深度會導致光的吸收外，對於熱的逸散亦是一大問題。

因此，對於長波長VCSEL 而言如何製作高增益的主動區材料、高反射率的DBR 與設計高散熱性的元件結構都是發展長波長VCSEL 的問題與挑戰。

現今主要應用於長波長VCSEL 的元件結構主要可以區分為下以三種： (1)使用介質材料作為上下DBR 的etched-well VCSEL 結構。 (2)利用介質材料與半導體製作上下DBR，並配合環狀電極的VCSEL 結構。 (3)利用磊晶的方式製作完成VCSEL 結構。

圖4-15 (a)使用介質材料作為上下DBR 的etched-well VCSEL 結構。

圖4-15 (b)利用介質材料與半導體製作上下DBR， 並配合環狀電極的VCSEL 結構。

圖4-15 (c)利用磊晶的方式製作完成VCSEL 結構。

首先，利用晶片接合(wafer bonding)技術已可整合InP 系統的主動層結構於GaAs 材料系統的DBR 上，藉此達到高效率的長波長VCSEL。 其次，1.3μm 長波長新材料InGaNAs 可直接成長於GaAs 基板上亦有相當不錯的元件表現，但是要將波長推至1.55μm 並不容易，可以利用五元化合物InGaNAsSb 達到更長的發光波長。為了配合現有長波長主動層材料InGaAsP 與InGaAlAs，利用磊晶方式成長晶格匹配於InP 基板的DBR 仍是研究的重點之一。

此外，利用metamorphic 磊晶技術成長晶格匹配於InP 基板的GaAs/AlAsDBR 亦被應用於長波長的VCSEL，然而由於晶體缺陷的因素，此種雷射元件特性仍有穩定性的問題。使用Sb 材料系統的DBR 可提供更大的折射率差異並且已被用在長波長VCSEL 中，然而此種DBR在熱傳導特性上並不佳，DBR 的成長條件更是極具複雜性。

由於長波長VCSEL 面臨了低主動區增益、高熱阻與嚴重的Auger非輻射復合的光損耗，這使得主動層發光材料的選擇更加嚴苛。 為了將發光波長操作在1.3~1.6μm，其主動層材料對應的能隙值為0.95 與0.78 eV 之間。

InGaAsP/InP 材料系統雖然最早被應用於長波長主動層材料，然而其導電帶的導電帶偏移(conduction band offset)非常小，再加上高的Auger 係數，使得此材料系統在高溫特性的表現上始終不佳。 然而，具應力量子井(strained QW)結構的使用將有助於減少Auger 再結合的損失，不過進一步衍生的問題是應力量子井的數目不能過多，否則將引起主動層中晶體缺陷的產生。

為了增加應力量子井的數目來提高主動區的光增益，使用應力補償式量子井結構設計將可有效減少淨應力的產生。 因此，使用應力補償式InGaAsP/InGaAsP 量子井結構有效增進了高溫下的雷射特性。

為了進一步提升長波長VCSEL 的高溫特性，有效的將電子侷現於主動層中，以避免電子溢流出多重量子井結構將是重要的設計考量。 因此許多研究群亦投入於AlGaInAs 材料系統的研究， 這是由於AlGaInAs 材料系統具有較高的導電帶能帶偏移(ΔEc = 0.72ΔEg)，不但可以有效的侷限電子於多重量子井結構中，更可增進電洞在多重量子井結構中的傳輸。相較於InGaAsP 量子井結構的導電帶能帶偏移(ΔEc= 0.4ΔEg)，AlGaInAs 主動層材料已被使用於長波長VCSEL 中，並可在高溫下有良好的操作特性。

上述兩種長波長主動區材料系統均是成長於InP 基板上，另一種成長於GaAs 基板的長波長主動區材料為GaInNAs 材料系統，一般三五族材料其晶格常數和能隙的大小呈反向趨勢，然而GaInNAs 材料系統則呈現同向的趨勢，也就是能隙會隨著晶格常數減少而變小。 這是因為氮元素加入於GaAs 或GaInAs 材料系統會引起很大的能隙彎曲參數(bandgap bowing parameter)，且隨著氮元素的增加能有效的降低GaAs 或GaInAs 的能隙 。

然而由於氮元素溶入GaAs 的含量有先天材料上的限制，因此為了把發光波長推向1.55μm，通常要再加入Sb 元素才有較佳的元件特性表現。 使用GaInNAs 材料系統的優點除了可以使用晶格配匹的AlGaAs 材料系統作為DBR 之外，其導電帶能帶偏移更可高於300 meV，這項條件對於把電子侷限在主動層以達到穩定的高溫操作是非常有利的。

另一項特別的長波長主動層材料是利用InGaAs 量子點(quantum dot)作為發光層，由於量子點具有類似原子的電子能態密度(density of states)，因此許多光學特性的表現與傳統的量子井結構十分不同，這樣的特性有機會使雷射具有更低的閾值電流與更穩定的溫度特性。

除了主動區發光材料是設計長波長VCSEL 的重要考量之外，適當的DBR 材料系統選擇亦扮演重要的角色。 許多不同的材料系統已被提出用在長波長VCSEL 中，而每一種作為DBR材料都必須考慮到光、熱與電的特性，這些DBR 材料主要可被分成三個種類：磊晶成長DBR、介電質材料DBR 與晶片接合技術DBR，表4-1 列出適用於1.5μmVCSEL 之不同DBR 材料系統以供比較。

利用磊晶成長的DBR 具有直接整合於發光層的優點，例如典型的GaAs 材料系統VCSEL，因此製造過程相對容易。長波長VCSEL 利用磊晶成長的DBR 在InGaAsP/InP 材料系統已發展一段時間。

不幸的是，在InP 與InGaAsP兩種材料之間的折射率差異非常小，所以必須成長相當多層的DBR才能達到高的反射率，圖4-17 為三種適用於1.55μm 波段的DBR 材料其DBR 對數與反射率的關係。 此外，由於四元化合物容易產生聲子(phonon)的散射，因此InGaAsP 材料系統的熱導係數相當低，再加上厚的DBR 層，限制了InGaAsP VCSEL 的最大操作溫度。

適用於長波長VCSEL 的第二種DBR 材料為介質材料DBR，這種材料系統的DBR 典型的組成是利用氧化物材料，因此可以提供相當高的折射率差異，通常小於8 對就可以達到極高的反射率，短的DBR穿透深度亦有減少光損耗的優點。 然而由於氧化物材料本身並非結晶性材料，因此在熱傳導效率上並不佳，當雷射在連續操作的情況下容易形成自熱效應(self-heating)，此外，這種氧化物類形的DBR 通常只能用於上DBR 的部份，因為要在氧化物上成長高品質晶體形態的半導體發光層是非常困難的。

第三種利用晶片接合技術來製作長波長VCSEL 的DBR 材料通常是AlAs/GaAs 材料系統，這是由於AlAs 與GaAs 具有相當接近的晶格常數與相對較大的折射率差異。而晶片接合技術主要用於成長於InP 基板的主動層材料，利用此技術可提供不需晶格匹配於GaAs 或InP 基板的DBR 材料。 其製作方式是將主動層發光材料與DBR 材料分開成長，然後再利用高溫與高壓的環境下熔接兩種晶片，這樣的接合界面不但可以達到電傳導，同時亦可達到光穿透的特性。

除了上述三種主要應用於長波長VCSEL 的DBR 材料系統外，另一種DBR 材料是使用InP 與空氣所組成的DBR 結構，這樣的結構可以提供非常大的折射率差異。 因此只需要三對DBR 數目即可達到99.9%的反射率，這樣的InP 與空氣所組成的DBR 是利用選擇性蝕刻技術製作而成的，整個VCSEL 元件結構直接利用磊晶技術成長而成，不需要經過再成長的過程，原始DBR 結構為InP 與GaInAs 所組成，利用選擇性蝕刻將GaInAs 去除形成空氣，進而製作InP 與空氣介面的DBR。

近年來在長波長VCSEL 的發展方面，Lin 等人利用InP 與空氣所組成的DBR 結構配合InGaAsP/InP 主動層成功製作1.3~1.55μm 高溫下連續操作的長波長VCSEL，他們利用穿隧接面(tunnel junction)結構轉換電子成電洞以減少p 型材料造成的自由載子吸收，高溫連續操作可至85℃。 2005 年Cheng 等人使用AlGaInAs 材料製作1.3μm VCSEL，其雷射在連續操作下，並在120 ℃ 可輸出2 mW 雷射功率，且保持在單模態輸出的情況，高速調變其資料傳輸速率可高達10 Gbs 。

2009年Onishi 等人使用了GaInNAs 材料並配合穿隧接面結構製作出室溫下可輸出4 2009年Onishi 等人使用了GaInNAs 材料並配合穿隧接面結構製作出室溫下可輸出4.2 mW 之長波長VCSEL，操作溫度範圍在25℃~85℃ 可保持10 Gb/s 的調制速度。 近期長波長VCSEL 的發展非常迅速，不僅在操作溫度可以更高，雷射波長可以更長，輸出功率提高，閾值電流降低，且調制速度已超過25 Gb/s。