雷射科技與應用 Wei-Li Chen 陳偉立 weili@cc.ncue.edu.tw Department of Electronic Engineering National Changhua University of Education 03/22/2013
大綱 雷射原理簡介 雷射的類型 雷射的應用 半導體雷射
簡介-何謂光電 光電領域泛指所有應用光電及電光轉換的科學與技術 雷射是最普遍，典型的光電元件． 雷射的原文是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) 意指”藉由激發性放射幅射的光放大”。大陸翻譯為激光 普遍
雷射的特性 高光功率密度 高指向性平行光束 高相干性同調光（同相位） 單色光
雷射的基本構造 Optical resonator Output Mirror Mirror Pumping media Active material Mirror Mirror Pumping media
大綱 雷射原理簡介 雷射的類型 雷射的應用 半導體雷射
常見的雷射 相 種類 活性物質 振盪波長 形態 特徵 氣 體 He-Ne雷射 Ne 632.8nm 連續 氣 體 He-Ne雷射 Ne 632.8nm 連續 功率雖小但可作同調性佳的穩定輸出、操縱簡單 氬氣雷射 Ar 488nm 514.5nm 功率大且可作同調性佳的定輸出 CO2氣體雷射 CO2 10.6nm 高輸出、高效率紅外線 準分子雷射 ArF、KrF、XeCl、XeF 193、248、308、351nm 脈衝 高輸出 紫外線 金屬蒸汽雷射 Cu、Au 511、578、628nm 高速度往復 平均輸出大 固 體 YAG電射 Nd 1.06mm 高能量脈衝、高輸出、高速往復 半導體雷射 GaAlAs/GaAs InGaAsP/InP InGaN/GaN 0.84nm 1.2~1.6mm 0.3~0.6mm 袖珍、可直接調整脈衝
紅寶石雷射
CO2雷射
脈衝雷射 Nd:YAG Excimer
半導體雷射
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醫學(皮膚治療) 脈衝染料雷射也可以被用來有效地治療許多其他不同的血管疾病，包括臉上破裂的血管，胎記，血管瘤，不同類型的疤，甚至是疣。 治療皮膚的色素性疾病。這種雷射釋放出的光波長，可以讓皮膚上的色素吸收較好。這使得它可以用來治療各種皮膚表面或是較深部的色素性病灶。現在已經有許多種雷射被核准可以用來治療老人斑，太陽斑（雀斑），咖啡色胎記，以及刺青等等。
醫學(牙齒治療)
準分子雷射近視手術又主要分為雷射屈光角膜切除術(photorefractive keratectomy, PRK)和雷射原位層狀角膜成塑形(Laser in-situ keratomileusis, LASIK) 兩種。 PRK 手術的方式(圖一)是把角膜上皮細胞刮除後，以準分子雷射來進行預先 設定的角膜厚度切除，達到削平角膜而減低近視和散光度數，度數越深切除越 厚。一般雷射照射的時間約30 秒至一分鐘間，術後會給予抗生素眼藥水和戴隱 形眼鏡，約3 至10 天上皮細胞才會癒合。 LASIK 手術(圖二)是以層狀角膜切割刀切開約130–160um厚角膜瓣後，再 以準分子雷射來進行角膜切除，之後再回復原角膜瓣至原來位置，其視力復原較 PRK 快且術後疼痛程度較少也較短，大多數隔天視力就恢復至相當好而且也不 痛了，較不影響日常生活。
光學同調斷層掃瞄 Optical Coherence Tomography (OCT) 視網膜
醫學診斷 結腸
機械加工 切割1,切割2 雕刻1,雕刻2 焊接
其他應用 測距(測速) 光鉗(奈米操弄) 雷射印表機 Laser TV 光儲存(CD,DVD) Pointer 雷射水平垂直儀 Science research Toxic gas detection Sensors 熱處理
量子保密通信(密碼傳輸) Surgery knife Bar-code scanner 武器 光通訊
雷射印表機原理 1. Charging (usually negative) 2. Exposure (laser scanning to remove charge) 3. Developing (adding carbon powder to the drum) 4. Transferring (print powder to paper) 5. Fusing 6. Clean http://computer.howstuffworks.com/laser-printer2.htm
Optical Tweezer Ag nano particle Particle manupulation http://photoms.ym.edu.tw/PHOTOMS_C/Research.htm Ag nano particle Particle manupulation
Lidar Distance = (Speed of Light x Time of Flight) / 2
雷射測距儀
雷射水平垂直儀
Optical Storage
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如何選擇適當半導體材料? 基板的限制原子晶格大小須與基板一致 波長的限制能隙大小須與所需波長吻合 材料特性能隙必須是直接能隙才能發光
常見的光電半導體材料 GaN based 可發藍光或紫外光用於全彩顯示面板 InP based 可發綠光紅光及紅外光 GaAs based 可發紅外光用於光通訊 Si, Ge, InGaAs 可用於製造太陽電池或檢光器 Si可用於製造太陽電池 多晶矽及有機化合物可用於製造發光二極體
半導體材料的能帶特性 直接能隙 (GaAs) 間接能隙(Si)
光電半導體的晶格-能隙相圖 能隙Eg = hν = hc/λ 與材料特性有關 砷化鎵GaAs 0.8-1μm InP 1-1.6μm GaN 0.2-0.6 μm
Active material
Laser Threshold Condition Major output port Can be used for control R=0.8 R=0.32
光學共振腔 The purpose of the resonance cavity is to elongate the photon lifetime in the cavity in order to increase gain. 駐波條件 L = mλ /2 提供光學回授
Gain Profile and Longitudinal Modes 2019/1/18
雷射頻譜
半導體雷射的電流-發光特性
半導體雷射製程
光罩設計 Mask 1: Ridge Etch Mask 3: Metalization Mask 2: Nitride Etch Mask 1, 2, and 3
Ridge photo (mask 1) Ridge Wet Etch Si3N4 Deposit Via photo (mask 2) photoresist active layer etch stop layer
5. Nitride etch 6. Metal photo (mask 3) 7. Metal Deposition & liftoff 8. Backside lapping & metalization
9. Bar cleaving 10. HR/AR coating
Conventional laser process Pad cavity R1 R2 Trench
Side view AR coating Laser bar Top view AR coating Crossectional view 100um AR coating Laser bar Top view ~2cm 250um AR coating Crossectional view 100um Multilayer structure
Laser設計考量 Grating Layer InP spacer Active layer Metal Minimum Contact and Serial resistance Optimum cavity length and RWG width Minimize bondpad size Optimum grating and KL design Increase Dielectric film thickness Optimum QW strcuture and doping profile Grating Layer Sidewall treatment InP spacer Active layer Metal SiN dielectric film InP cladding and substrate
生產線概觀 - CHIP
Laser Chip Side View Active region InP SiNx Metal Trench