光電導論期末報告 GaInNAs長波長半導體材料介紹 教授：郭艷光老師 學生：陳俊榮 學號：8922042 國立彰化師範大學 陳俊榮

目錄 前言 GaInNAs材料特性 元件應用 結論 國立彰化師範大學 陳俊榮

前言(1) 1995年M. Kondow等人提出GaInNAs材料，GaInNAs是第 五族氮的化合物之一。許多的研究團隊在1992年開始提出 第五族氮的化合物，但卻始終受限於晶體的成長或物理特 性的量測。由於第五族氮化物不尋常的物理特性，反而 可能造成比現今的半導體材料有更好的特性。GaInNAs可 以成長在晶格互相匹配的GaAs基板上，並且具有可發出 長波長的能帶間隙，例如1.3 mm與1.55 mm甚至是更長的 波長。 GaInNAs可以配合GaAs或其它具有高能障的半導體化合物 ，以形成較深的量子井，尤其可以得到導電帶偏移 (conduction band offset，Ec)較大的差距。如此可以有效 抑制電子在高溫時由量子井中溢流。因此GaInNAs材料將 有可能在未來取代現今長波長雷射二極體成為光纖通訊的 光源。 國立彰化師範大學 陳俊榮

前言(2) 目前在光纖通信光源的應用上，是以雷射二極 體做為長程光纖通信在1.3 mm與1.55 mm的兩個 低損失窗的光源，而現今光纖通訊光源能在高 溫操作的需求仍在發展與研究中。 雖然長波長InGaAsP/InP雷射特性已經由具應力 的多量子井結構得到改善，但其高溫操作時的 雷射特性卻未能達到要求，這是由於 InGaAsP/InP材料在導電帶的偏異低，所以形成 的位能障不能有效侷限電子於量子井中，特別 是在高溫操作時電子溢流的情況將更嚴重。因 此具有高位能障的GaInNAs材料將可以有效改善 長波長雷射在高溫操作的電子溢流現象。 國立彰化師範大學 陳俊榮

GaInNAs材料元素位置 GaxIn(1x) NyAs(1y) 國立彰化師範大學 陳俊榮

III-V族半導體能隙與晶格常數之關係 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

GaNxAs1x能隙與N成份x之關係 (W. G. Bi與C. W. Tu) 國立彰化師範大學 陳俊榮

GaNAs化合物特性 GaNAs偏離傳統半導體的灰色區域。 隨著氮含量的增加，GaNAs的能帶間隙卻是逐漸減少。 增加設計半導體元件的自由度。 GaNAs具有負的能帶間隙，表示GaNAs將由N的含量來決定成為金屬或是半導體。 國立彰化師範大學 陳俊榮

GaInNAs材料特性 加入In於GaAs，產生GaInAs的化合物，並增加晶格常數；加入N 於GaAs，產生GaNAs的化合物，並減少晶格常數，因此在GaInNAs中只要調整In與N的比例便能符合GaAs的晶格常數。 加入In於GaAs可減少能隙；加入N於GaAs也減少能隙。 GaInAs與GaNAs均為直接能隙之半導體化合物，所以GaInNAs也被認為是直接能隙的材料。 國立彰化師範大學 陳俊榮

GaInAs、GaNAs與GaInNAs之能帶排列 當GaInAs的In含量增加時，即壓縮應力增加，導電帶將降低而價電帶將升高。 增加GaNAs的N含量，即增加伸張應力，導電帶與價電帶都會降低。然而導電帶降低得比價電帶快，所以增加氮的含量將會減少GaNAs的能隙。 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

M. Kondow 等人計算所得T0與Ec之關係圖 300 meV時 就能非常有 效地抑制電 子的溢流。 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

GaInNAs元件應用 長波長側射型雷射(edge-emitting laser)。 長波長面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser)。 高溫操作之長波長光纖通訊光源(1.3 mm或1.5 mm )。 國立彰化師範大學 陳俊榮

波長1.3 mm材料之能帶圖(1) (M. Kondow et al.) GaInPAs成長在InP基板上之能帶圖 國立彰化師範大學 陳俊榮

波長1.3 mm材料之能帶圖(2) GaInNAs成長在GaAs基板上之能帶圖 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

波長1.3 mm材料之能帶圖(3) GaInNAs成長在GaAs基板上之能帶圖 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

1997年第一個GaInNAs室溫連續操作之雷射結構圖 GaInNAs雷射，其波長為1.178 mm 活性層結構Ga0.7In0.3N0.004As0.996 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

第一個GaInNAs室溫連續操作之雷射性能圖 雷射之臨介電流為275 mA，當輸入電流為330 mA時，光輸出功率可達10 mW。值得注意的是，此雷射之特性溫度T0可達126 K，是當時(1997)長波長特性溫度最高的雷射，因此也證明GaInNAs雷射具有在高溫操作的優勢。 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

1998年1.31 mm室溫連續操作之雷射結構 GaInNAs雷射，其波長為1.31 mm (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

Ga0.7In0.3As與Ga0.7In0.3N0.01As0.99雷射性能比較圖 GaInAs之臨介電流(28 mA)較GaInNAs之臨介電流(108 mA)低很多，而GaInAs之斜率效能(0.25 W/A)也比GaInNAs之斜率效能(0.16 W/A)高，這是由於摻入N於長晶過程中所造成的晶體缺陷，相信日後長晶技巧改善之後必能得到較完美的晶體以降低臨介電流和提高斜率效能。 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

Ga0.7In0.3As與Ga0.7In0.3N0.01As0.99之雷射頻譜圖 (M. Kondow et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

GaInNAs面射型雷射 長波長的面射型雷射應用在光纖的1.3或1.55 mm的損失窗。雖然這個長波長的範圍可由InGaAsP成長在InP的基板上而得到，但這項材料卻缺少足夠的折射率差值以形成布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，簡稱DBR)。 InGaAsP高溫時的輸出功率與效能都十分不理想。 使用GaInNAs材料來作為量子井活性層，不但有晶格匹配的GaAs基板，而且還可以達到雷射在長波長時高溫操作的穩定性。 使用GaInNAs可以直接成長GaAs/AlAs DBR為其優點。 國立彰化師範大學 陳俊榮

1998年第一個GaInNAs長波長面射型半導體雷射 Well:7-nm-thick Ga0.7In0.3N0.004As0.996(SQW) (M. C. Larson et al.) Wavelength: 1.18 mm 國立彰化師範大學 陳俊榮

不同元件大小的VCSEL雷射性能圖 直徑45 mm: Ith=61 mA 直徑25 mm: Ith=22.3 mA (M. C. Larson et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

45 mm VCSEL溫度對臨介電流與斜率效能關係圖 Ith=I0exp(T/T0) (M. C. Larson et al.) 國立彰化師範大學 陳俊榮

結論 新穎的GaInNAs材料已證明可成長在GaAs基板。 調整In及N的含量可以得到不同的波長。 以AlGaAs為高能障之電位障(barrier)可以防止電子溢流，提高特性溫度。 取代InGaAsP成為長波長光纖通訊的光源。 國立彰化師範大學 陳俊榮

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