五南官網-VCSEL技術原理與應用

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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：2023/10/06(2版1刷)
ＩＳＢＮ：978-626-366-644-3
E I S B N：9786263666573
書　　號：5DK8
頁　　數：296
開　　數：16K
定　　價：560元
優惠價格：504元

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
現職
國立陽明交通大學光電系 講座教授
穩懋半導體 首席科學家

榮譽
OPTICA Fellow、SPIE Fellow、全球前2％頂尖科學家、科技部傑出研究獎、傑出電機工程教授獎


尤信介
現職
國立陽明交通大學照明與能源光電研究所 助理教授
國立成功大學智慧半導體及永續製造學院暨光電系 兼任助理教授

榮譽
國立陽明交通大學110學年度優良教學獎，108、109、110學年度績優導師

1.1　雷射發展歷史
LASER是「light amplification by stimulated emission of radiation」的縮寫，臺灣音譯為雷射，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694.3 nm，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1153 nm[3]，半年後另一團隊所製作的氦氖雷射發光波長632.8 nm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842 nm，可以在77 K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。

圖1-1　黑色長方形物體為半導體光激光譜研究用氬離子（Ar+）雷射，前方透明盒裝為100顆TO封裝紅光半導體雷射二極體，體積差異顯著

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77 K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874 nm[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]


圖1-3　典型垂直共振腔面射型雷射結構示意圖

圖1-4　名古屋大學赤崎研究所展示2014年諾貝爾物理獎得主赤崎勇與天野浩建構之氮化鎵材料磊晶用MOVPE系統


圖1-5　目前光電產業磊晶成長多採用MOCVD系統為主，左圖為砷化鎵系列材料，右圖為氮化鎵系列材料MOCVD磊晶設備

圖1-6　學術研究機構採用分子束磊晶成長高品質光電半導體材料，左圖為串聯式三五族氮化物／砷化鎵MBE，右圖為為串聯式矽鍺四族系列材料磊晶用MBE。

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。

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