VCSEL技術原理與應用
作  者╱
盧廷昌、尤信介
出版社別╱
五南
出版日期╱
2019/09/12   (1版 1刷)
  

I  S  B  N ╱
978-957-763-570-9
書  號╱
5DK8
頁  數╱
276
開  數╱
16K
定  價╱
520



垂直共振腔面射型雷射的發展與量產將近40年,在光通訊與光資訊領域已經成為不可或缺的主動光源最佳解決方案,並在近10年陸續應用在各式各樣的感測器相關用途,因此相關產業也開始進入高速成長期。
本書主要針對大專院校及研究所具備物理、電子電機、材料、半導體與光電科技相關背景的學生以及相關產業研發人員,提供一個進階課程所需的參考書。全書共分為七章,第一章將介紹面射型雷射發展歷程,第二章主要說明半導體雷射操作原理接續第三章針對面射型雷射結構設計考量與第四章動態操作等特性分析,第五章介紹目前最廣泛應用的砷化鎵系列材料面射型雷射製程技術,第六章探討長波長面射型雷射製作技術以及在光通訊、光資訊以及感測技術上的應用,第七章介紹採用氮化鎵系列材料製作短波長面射型雷射之最新進展以及相關應用及發展趨勢。
臺灣在面射型雷射技術研發已經形成涵蓋上中下游的磊晶成長、晶粒製程與封裝模組的完整產業鏈,希望讀者能藉由本書了解相關產業發展概況並激發深入研究的動機與興趣。

盧廷昌
國立交通大學光電系特聘教授兼系主任

尤信介
國立交通大學照明與能源光電研究所助理教授

第一章 垂直共振腔面射型雷射的發展
1.1 雷射發展歷史
1.2 面射型雷射發展歷程
1.3 面射型雷射之優點
1.4 面射型雷射初期研發進展
1.5 可見光面射型雷射
1.6 長波長面射型雷射
1.7 多波長與可調波長面射型雷射
1.8 短波長面射型雷射
參考資料

第二章 半導體雷射基本操作原理與結構
2.1 雙異質接面
2.2 半導體光增益與放大特性
2.3 半導體雷射震盪條件
2.3.1 振幅條件 
2.3.2 相位條件 
2.4 速率方程式與雷射輸出特性
本章習題
參考資料

第三章 VCSEL基本操作原理
3.1 VCSEL與EEL的比較
3.2 布拉格反射鏡
3.2.1 傳遞矩陣 
3.2.2 穿透深度 
3.2.3 布拉格反射鏡結構設計 
3.3 垂直共振腔面射型雷射之特性
3.4 溫度效應
3.5 微共振腔效應
3.6 載子與光學侷限結構
本章習題
參考資料

第四章 高速VCSEL操作動態特性
4.1 小信號響應
4.1.1 弛豫頻率與截止頻率 
4.1.2 非線性增益飽和效應 
4.1.3 高速雷射調制之設計 
4.1.4 小信號速率方程式之暫態解 
4.2 大信號響應
4.2.1 導通延遲時間 
4.2.2 大信號調制之數值解 
4.3 線寬增強因子與啁啾
4.3.1 頻率啁啾與頻率調制 
4.3.2 半導體雷射之發光線寬
4.4 相對強度雜訊
本章習題
參考資料

第五章 GaAs-based VCSEL製作技術
5.1 電流侷限方法
5.1.1 增益波導 
5.1.2 折射率波導 
5.1.3 離子佈植法 
5.1.4 氧化侷限法 
5.2 面射型雷射製程技術
5.2.1 蝕刻 
5.2.2 選擇性氧化 
5.2.3 金屬電極製作 
本章習題
參考資料

第六章 紅外光VCSEL技術與應用
6.1 紅外光VCSEL元件
6.1.1 InP異質接面/量子井面射型雷射 
6.1.2 InGaAs量子井面射型雷射 
6.1.3 InGaAsN量子井面射型雷射 
6.1.4 InAs量子點面射型雷射 
6.2 紅外光VCSEL應用
6.2.1 光通訊應用與高頻操作 
6.2.2 光資訊應用與單模操作 
6.2.3 感測器應用 
本章習題
參考資料

第七章 藍紫光VCSEL技術與應用
7.1 藍紫光VCSEL用之反射鏡
7.2 光激發式藍紫光VCSEL
7.3 電激發式藍紫光VCSEL
7.4 藍紫光VCSEL的近期發展
7.4.1 混合式氮化鎵VCSEL 
7.4.2 介電質氮化鎵VCSEL 

參考資料

先進微電子3D
-IC構裝
GeoGebr
a幾何與代數的
美麗邂逅
圖解資訊系統安

微處理器:組合
語言與PIC1
8微控制器
汽車學原理與實

物聯網實作:N
ode-RED
萬物聯網視覺化
(附光碟)




1.1 雷射發展歷史
LASER是「light amplification by stimulated emission of radiation」的縮寫,台灣音譯為雷射,中國大陸意譯為激光,意指光在受激發放大情況下所產生的同調光源。在1964年諾貝爾物理獎頒發給公認雷射理論奠基者包含Charles Townes,Nikolay Basov與Alexander Prokhorov三人之前,不同種類的雷射以及相關專利已經陸續被實際製作出來,包括1960年在休斯實驗室(Hughes Research Laboratories)任職的梅曼(Theodore Maiman)[1]利用閃光燈脈衝光源激發紅寶石晶體產生有史以來第一道人造的同調光源,發光波長為694.3nm,同一年任職於美國電話電報公司(AT&T)貝爾實驗室(Bell Lab.)的Ali Javan,William Bennett和Donald Herriott成功製作了第一台利用氦氣和氖氣作為增益介質的氣體雷射(HeNe laser)[2],這也是第一個連續波(continuous wave, CW)操作的雷射光源,發光波長為1153nm[3],半年後另一團隊所製作的氦氖雷射發光波長632.8nm成為稍後較為普遍被採用的紅光雷射光源[4]。
Ali Javan與Nikolay Basov提出利用半導體材料製作雷射二極體的構想,但是稍早在1956年的時候日本東北大學的西澤潤一教授已經提出雷射二極體的專利申請,甚至比1958年Gordon Gould提出LASER名詞縮寫的時間都還要更早。在1962年Robert N. Hall首次利用砷化鎵(GaAs)材料同質接面(homojunction)結構製作出第一個雷射二極體[5],發光波長為842nm,可以在77K液態氮溫度下脈衝操作(pulse operation),同年Nick Holonyak Jr.教授在任職於通用電氣公司(General Electric Co.)時率先採用磷砷化鎵(GaAsP)製作出第一個可見光波段的紅光半導體雷射二極體[6]並發明了第一個紅光發光二極體(light emitting diodes, LED),在1962年底前GE已經開始販售Robert N. Hall開發的砷化鎵雷射二極體和Nick Holonyak Jr.教授開發的磷砷化鎵雷射二極體與發光二極體,其中紅光LED一顆售價260美元,砷化鎵紅外光雷射二極體售價1300美元,磷砷化鎵紅光雷射二極體售價2600美元,同時期德州儀器公司(Texas Instruments, TI)販售的砷化鎵紅外光發光二極體售價為130美元[7]。
在1969年時任職於貝爾實驗室的林嚴雄(Izuo Hayashi)和Morton Panish利用P型砷化鋁鎵—砷化鎵單異質接面結構(p-AlGaAs/p-GaAs heterostructure)首次製作出可以在室溫下連續波操作的半導體雷射二極體[8][9],任職於美國無線電公司RCA的Henry Kressel也採用類似結構[10],同時期Zhores I. Alferov和Herbert Kroemer分別在俄國和美國發展出具有雙異質接面結構(double heterostructure, DHS)的半導體雷射[11]與高速雙載子電晶體(heterojunction bipolar transistor. HBT)製作技術,採用該方法作為半導體雷射主動層增益介質可以有效提升注入載子侷限(carrier confinement)能力,顯著降低達到雷射輸出所需的閾值電流(threshold current)值,該技術迅速提升半導體雷射操作特性,使得雷射技術更為實用,因此兩人連同積體電路發明人之一的Jack Kilby共同獲頒2000年諾貝爾物理獎。
時至今日有許多不同的材料可以用來作為雷射操作所需的增益介質,包括各種固態晶體(例如最早發出雷射光的紅寶石雷射、摻釹釔鋁石榴石雷射Nd:YAG laser[12])、氣體(例如氦氖雷射、二氧化碳雷射等)、染料雷射、化學雷射、準分子雷射、光子晶體雷射、光纖雷射甚至不需要增益介質直接藉由調控電子運動發出同調的電磁波的自由電子雷射,但是其中應用範圍最廣泛的仍然非半導體雷射二極體莫屬。
半導體雷射已經成為現代資訊社會中最重要的光源之一,也是引領人們進入網路資訊數位時代不可或缺的原動力。目前半導體雷射在電子資訊領域最重要的應用可大致區分為光資訊與光通訊兩大主軸;而依照元件結構的主要差異,半導體雷射又可區分為邊射型雷射(edge emitting laser,EEL)與垂直共振腔面射型雷射。其中較晚開始發展的面射型雷射技術與傳統邊射型雷射結構相較之下具有許多先天上的優點,因此在光資訊與光通訊的應用上具有顯著的優勢。
1.2 面射型雷射發展歷程
早期所謂的面射型雷射(surface emitting laser,SEL)本質上仍然是邊射型雷射的延伸,基本上其元件結構的共振腔方向仍然與磊晶面互相平行,光子在水平方向的共振腔中來回震盪直到達到雷射增益閾值條件後從任一側的蝕刻或劈裂鏡面射出高準直性的同調光,再藉由共振腔外部利用蝕刻或其他製程方式形成的週期性光柵[13]-[15]或45度反射鏡面[16]-[18],使原本水平方向的雷射光束轉換成垂直方向,如下圖1-2所示。不過這類型的面射型雷射製程相當複雜且良率與操作特性都相對低落,許多額外的製程步驟需要克服,例如雷射鏡面與外部反射鏡之間的光軸對準、週期性光柵或鏡面蝕刻與高反射率薄膜蒸鍍、外部反射鏡角度微調等,每一項參數都會增加製程困難度並降低良率與可靠度,因此實際上這類技術並未獲得廣泛採用。
真正意義上的垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs)結構是在1977年東京工業大學的伊賀健一(Kenichi Iga)教授等人所提出的概念[19],基本上該元件是由上下兩個高反射率的反射器夾著具有增益能力的活性層形成雷射共振腔結構,如下圖1-3所示。該雷射結構最關鍵的技術在於高品質的分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector, DBR)磊晶成長,基本上是藉由調整化合物半導體材料或介電質材料的化學組成,並週期性交錯排列這些不同折射率的材料,如果各層厚度精確控制在四分之一波長的奇數倍時,配合適當的光入射介面邊界值條件,通常是由高折射率材料入射低折射率材料的情況下,就可以形成高反射率鏡面。而當時的磊晶技術尚無法獲得符合雷射操作所需高反射率要求的DBR,在1979年H. Soda和Iga教授與末松安晴(Yasuharu Suematsu)教授共同發表利用液相磊晶技術(Liquid Phase Epitaxy, LPE)成長GaInAsP–InP磷砷化銦鎵—磷化銦材料所製作的第一個垂直共振腔面射型雷射[20],發光波長在1.2微米範圍,因為所採用的發光材料是磷化銦/磷砷化銦鎵系列材料雙異質接面結構,該材料組合導帶能障差異(conduction band offset, ΔEc)較小所以對於注入載子侷限能力改善有限,因此初期只能在77K液態氮冷卻的低溫環境下以脈衝方式操作,直到1984年改採用載子侷限能力更優異的砷化鎵/砷化鋁鎵系列材料,才在實驗室階段達成室溫下脈衝操作,發光波長為874nm[21],在1988年由Fumio Koyama與Iga教授團隊進一步達成室溫下連續波操作[22][23],該團隊採用的磊晶成長技術已經由先前製作半導體雷射二極體時所用的液相磊晶法轉換為更先進的有機金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD,也稱為metalorganic vapor phase epitaxy, MOVPE),這也是目前絕大多數化合物半導體發光元件及高速電子元件所採用的主流磊晶技術。大約同時期在1989年美國電話電報公司AT&T Bell Lab. (貝爾實驗室)卓以和院士所帶領的研究團隊利用分子束磊晶技術(molecular beam epitaxy, MBE)成長全磊晶結構VCSEL元件,並採用離子佈植法製作注入載子侷限孔徑成功在室溫下達成電激發光連續波操作的成果。[24][25]
面射型雷射製作技術也在1980年代中期開始成為眾多公司與研究單位積極發展的研究課題,包括早期擁有最多VCSEL相關專利的全錄公司在矽谷的Palo Alto研究中心Xerox PARC(Xerox Palo Alto Research Center, Inc.)、Gore Photonics、Sandia國家實驗室、Bellcore(Telcordia)等。在投入多年的研發人力與資源之後,1996年起已有包括Honeywell、Mitel、Emcore Mode、Agilent和Cielo等公司推出多種商品化量產產品面市,並且在1999年全球VCSEL元件出貨量已經突破1000萬顆。然而相關的研究仍持續進行中,除了應用選擇性氧化技術製造紅外光光纖通訊用面射型雷射以外,可見光面射型雷射的相關研究也相當引人關注,特別是在1998年中村修二博士發表氮化鎵材料所製作的高效能藍光半導體雷射二極體後,如何製作涵蓋完整可見光頻譜範圍的紅、綠、藍光面射型雷射也成為具有高度挑戰性的研究主題。除了波長上的考量以外,如何提高調變頻寬以及製作單模輸出面射型雷射也是相當熱門的研究題目。
1.3 面射型雷射之優點
應用面射型雷射結構來製作可見光半導體雷射有許多優點。以光資訊的儲存應用而言,傳統可見光邊射型雷射(edge emitting lasers, EEL)應用在光碟機雷射讀寫頭光源時,經常遭遇到COD(catastrophic optical damage)的問題,也就是雷射劈開鏡面因為光輸出功率密度較高因而產生致命的缺陷導致雷射元件失效。如果應用面射型雷射結構的話就可以避免這類問題,因為面射型雷射結構中的共振腔鏡面並不是單獨由劈開面所形成,而是由數對甚至數十對折射率不同的半導體或介電質材料交互堆疊而成,不會因為光輸出功率密度太高而導致鏡面損壞以致雷射失效。
除此之外面射型雷射與一般邊射型雷射相較之下具有許多的優點,因此近幾年來紅外光面射型雷射產品在光纖通訊應用方面的重要性已日漸凌駕於邊射型雷射之上,未來這些優勢亦將延伸到可見光範圍。現分述如下:
1. 可在晶圓階段測試
傳統邊射型半導體雷射由於先天結構上的限制,晶片在製程中必須經過劈裂才可形成與磊晶面平行的共振腔,有時候還需要在劈裂面上鍍上額外的鏡面鍍膜(facet coating)以提高反射率,再進行複雜的後續封裝及測試程序,如此將耗費大部分的生產成本後才能得知產品的發光品質,而一旦封裝好的雷射二極體經測試發現品質不良甚至無法發出雷射光,則封裝成本即屬完全浪費。
而VCSEL製程中的關鍵技術為磊晶成長品質的優劣,一旦完成該步驟,則其他後續的製程及檢測都將可在晶圓階段實現,例如在電極製作完成後即可進行發光功率—操作電流—電壓特性(L-I-V characteristics)、波長、電激發光光譜(electroluminescence spectrum, EL)、場型等各種操作特性測試,而不必將晶圓劈裂形成共振腔鏡面。這樣的測試與製程設備與積體電路製造相當類似,易於自動化,可節省大量人力、時間與成本,並有助於提高良率,較邊射型產品更加適合量產。
2. 可獲得單一縱模輸出
VCSEL共振腔長度通常設計為單一波長或波長的整數倍,而且可以藉由磊晶成長過程中精確的厚度控制來調整,縱模間隔達600∼8003. 低閾值電流
VCSEL活性區體積通常較傳統邊射型雷射元件更小,因此可以在較低注入電流的情況下就達到載子反轉分布(population inversion),滿足雷射操作的基本要求,再加上適當的共振腔結構設計,可以輕易使閾值電流降到1mA以下,與傳統邊射型雷射最低約20mA的閾值電流相較之下小許多,也因此面射型雷射的功率消耗通常比傳統邊射型雷射還要低的多。
3. 高輸出功率
由於面射型雷射通常單一元件的活性增益介質體積較傳統邊射型雷射要來的小,所以單一元件最高輸出功率一般小於邊射型雷射,但是與邊射型雷射相比,面射型雷射可以用陣列方式結合多顆元件來提高輸出功率。目前已有報導單一VCSEL元件在適當設計下可達到100mW以上室溫連續輸出功率,如果將VCSEL製作成二維陣列(two dimensional array, 2D Array),最大輸出功率甚至可以達到9.6KW,已經可以用於工業用途例如熱加工、熱處理或其他雷射如光纖雷射的激發光源。
4. 低橫模輸出
VCSEL共振腔自然基態輸出為圓形TEM00模態,與傳統邊射型雷射薄而寬的波導截面因為繞射效應造成的橢圓型不對稱遠場圖形結果不同。而VCSEL的遠場發散角可以藉由製程及結構設計控制在約為9陛?1陛A經由適當設計,VCSEL在2.5倍閾值電流驅動下的旁模抑制比(Side Mode Suppression Ratio,SMSR)可達到40dB以上。單一橫模的傳輸模組雷射光源對於使用單模光纖而言相當重要,可有效降低色散損耗,提高光訊號傳輸距離與調變頻寬;此外對於光資訊儲存系統的讀寫頭光源而言,單橫模輸出也是相當重要的規格指標。