DVD燒錄機用高功率雷射二極體光電特性之研究

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1 DVD燒錄機用高功率雷射二極體光電特性之研究
國立彰化師範大學物三乙何依萍

2 (一) 研究動機與研究問題 (1) 研究動機： 現今光電產業，雷射二極體(laser diode)是相當重要的關鍵性元件，尤其在數位多功能光碟(digital versatile disk，簡稱DVD)相關三C產品的應用上。CD-ROM及CD-R燒錄機的市場因為發展已經到速度的極限，而呈現半停滯的狀態，由於DVD燒錄機目前除了規格之爭，在效能上也還不能令人滿意，因此仍有許多發展的空間。

3 AlGaInP材料製作成雷射二極體可在 nm波段發光，10 mW以下的低操作功率雷射二極體主要用於雷射指示器、條碼閱讀機、量測對準、及唯讀型光資訊存取系統上，如DVD-ROM 或DVD-Video的應用；而操作功率在30~100 mW的雷射二極體則用於可讀寫型存取系統，如DVD-R (可以寫一次)或DVD-RW (可以多次燒錄)，但由於高功率AlGaInP雷射二極體的製作良率不高，且功率仍不夠高到足以製作更高速燒錄機，因此仍是各競爭商家的開發重點。

4 DVD燒錄機的市場未能有突破性的成長之一大主要因素為燒錄速度太慢，一年來參與實驗中，我了解提升DVD-R/DVD-RW用的紅光雷射二極體的操作功率，便能適用於更高轉動速率的DVD-R/DVD-RW。由於黃滿芳老師有多年之雷射二極體研究及製作經驗，尤其在AlGaInP紅光雷射二極體的研究方面有很高的造詣，因此希望藉由參與這次國科會專題研究計畫，在黃滿芳老師的指導之下，學習DVD燒錄機用高功率雷射二極體的原理、設計及量測。

5 (2)研究問題： 現今的DVD-R/RW均需在AlGaInP ridge LD上作二次磊晶成長（epitaxy），以便增強雷射二極體的工作效能。然而二次磊晶在製程良率上偏低，且雷射二極體的臨界電流及操作電流參數會增加，本研究主要是希望配合商業上的需求，以避開傳統日本廠商二次磊晶的雷射二極體製作方法，藉由計算不同披覆層厚度下的cavity loss，使披覆層(cladding )厚度最佳化來增進雷射二極體的發光效率，並配合廠商以RIE 蝕刻方式來製作元件，希望降低元件的操作電流或於相同的操作電流下得到較高的輸出功率。

6 由圖一知，waveguide loss的計算結果是total cladding厚度的函數，因此本研究主要是利用發光功率密度不變的情況下，計算且設計不同的cladding厚度，以降低雷射的吸收損失，使得發光效率提升，所以於相同的操作電流下可以得到較高的輸出功率。

7 圖一 吸引損失與薄膜厚度關係圖

8 (二) 研究方法及步驟 短波長紅光雷射二極體應用極廣，為了要製作紅光雷射二極體，很多Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅳ族材料均被探討過，其中最成功的是AlGaInP，也最具商業價值，因此我將對AlGaInP的材料特性及材料參數，如：折射率、能帶大小…. 等作分析探討。

9 本計劃之研究方法主要可分為下列幾項： 1  研究披覆層厚度在紅光雷射二極體中對 cavity loss或 absorption loss的影響。 2. 設計二至三種不同披覆層結構之DVD燒錄機 用LD結構供廠商作磊晶成長及元件製作。 3. 由於紅光雷射二極體元件的後段製作如鏡面 鍍膜或window structure對特性的影響很大 ，因此會針對製程條件相同下的元件作光電 特性之分析。

10 預定之研究步驟如下： 1. 瞭解AlGaInP的材料特性及材料參數，如： 折射率、能帶大小…. 等。 2
預定之研究步驟如下： 1.  瞭解AlGaInP的材料特性及材料參數，如： 折射率、能帶大小…. 等。 2. 利用PICS3D (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) 與LASTIP…. 等軟體，計算雷射二極體的光波場分佈。 3.  計算在不同披覆層厚度下光波場分佈的 差異。 4.計算cavity loss，並決定2~3種結構，供 廠商磊晶成長及元件製作。 5.量測完成元件製作後的雷射二極體L-I曲 線，再與模擬軟體結果做比較。

11 (三) 預期結果 1. 了解DVD-R/DVD-RW用LD的材料及 元件特性。 2
(三) 預期結果 1. 了解DVD-R/DVD-RW用LD的材料及 元件特性。 2. 經由計算LD的光波場分佈及不同 cladding厚度下的cavity loss，設 計出發光效率更佳之LD結構。 3. 量測不同結構的LD的L-I圖，並了解其 差異性。 4. 希望提供國內廠商製作DVD燒錄機用 LD時的參考，並將完成一份完整的研 究報告。