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研究生: 李國榮
Kuo-Jung Lee
論文名稱: 1550 nm之共振腔發光二極體之研製與分析
Fabrication and Characterization of 1550 nm Resonant-Cavity Light-Emitting Diodes(RCLEDs)
指導教授: 吳孟奇
Meng-Chyi Wu
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 63
中文關鍵詞: 共振腔1550 nmInGaAsP布拉格反射鏡
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  • 本論文的主要研究是設計、製作、以及特性量測發光波段在1550 nm的共振腔發光二極體( Resonant Cavity Light Emitting Diode, RCLED )。RCLED 磊晶片的活性層是由厚度為5 nm 的In0.73Ga0.27As0.85P0.15量子井組成,放射波長峰值約在1530 nm 附近,上下夾著反射率大於99 % 的AlInAs / AlGaInAs 布拉格反射鏡。實驗結果顯示窗口尺寸為10 μm 的1550 nm RCLED 元件在20 °C、20 mA 時有順向偏壓2.1 V ,最大的光輸出功率130 μW 和最大的量子效率4.6 % 。注入電流增加與溫度上升所導致增益峰值紅移的變化量分別為0.08 nm/mA 以及0.4 nm/℃。從而可得到溫度與注入電流之關係為0.2 mA/℃。


    In this thesis,we designed,fabricated and characterized the resonant-cavity light emitting diodes ( RCLED ) emitting at 1550 nm wavelength.The strained multi-quantum-well ( SMQW ) active region consisting of five 5 nm thick In0.73Ga0.27As0.85P0.15 quantum wells with an emission peak wavelength near 1530 nm,sandwiched between two AlInAs / AlGaInAs DBRs which yielding a reflectivity greater than of 99 %. The experimental results indicated that the 10−µm window diameters for the 1550 nm RCLEDs have a forward voltage (VF) of 2.1 V at a current of 20 mA at 20 °C,which the maximum light output power of 130 μW and highest external quantum efficiency of 4.6 %. The increases of injected current and temperature lead to a red shift at a rate of 0.08 nm/mA and 0.4 nm/℃ for the gain peak.From that we could get the relationship between temperature and injected current is 0.2 mA/℃.

    第一章 緒論 ...........................................................................1 1.1 簡介 …………………………………………………..1 1.2 概述 …………………………………………………..3 第二章 共振腔二極體的工作原理 ………………………...6 2.1 活性層(Active Layer) …..…………………………….6 2.2 法布里-巴洛共振腔( Fabry−Perot Cavity )…....…....7 2.3 布拉格反射鏡( Distributed Bragg Reflector ) ……..11 2.4 發光波長對操作溫度的依賴性 …….………………15 第三章 1.55 □m RCLED之製作 ………………………….22 3.1 元件之磊晶結構 ……………………………...…….22 3.2 RCLED製程步驟 …………………………………...23 3.3 Ridge結構製程步驟 ………………………………..26 第四章 量測結果與分析 ………………………………….41 4.1 反射光譜的模擬 ..…………………………………..41 4.2 I−V特性之量測 ...………………..………………...42 4.3 L−I特性之量測 ...………………..…………………43 4.4 溫度與光譜特性 …………………………………....44 第五章 結論 ……………………………………………….60 參考文獻 …………………………………………………….62 圖 表 目 錄 圖1-1 光通訊領域之藍圖 …………….……………………4 圖2-1 RCLED之主要結構圖 …………………………….18 圖2-2 半導體和空氣的接面間的入射、反射與折射圖 ...18 圖2-3 光線可脫離半導體的圓錐區域 …........…………...19 圖2-4 共振腔內形成的(a)增強放射;(b)抑制放射圖 ….19 圖2-5 共振腔內的共振模態調制自發性放射光的示意圖20 圖2-6 可用為具高反射率的各種結構圖 …….…………..20 圖2-7 銀金屬反射鏡和25週期 AlAs / GaAs DBR 之反射率圖 ……………………………………………….21 圖2-8 高反射率之週期性層狀薄膜示意圖 ……….……..21 圖3-2 1550 nm RCLED磊晶結構圖 ……….….……....32 圖3-3 由SEM所觀測之(a)實際磊晶結構圖;(b)元件頂視圖 …………………………………………….....33 圖3-4 RCLED製程流程圖 ….……..………..…….…34-36 圖3-5 脊狀波導製作流程(一) ……………….…………37 (a)清洗晶片(b)介電質成長(c)光阻塗佈(d)曝光、顯影 圖3-6 脊狀波導製作流程(二) ……………….………..38 (e)介電質蝕刻(f)清除光阻(g)脊狀波導蝕刻(h)介電質清除 圖3-7 自我對準(一)……….……………………………..39 (a)絕緣層成長(b)光阻塗佈,介電質成長(c)光阻塗佈 (d) 曝光、顯影 圖3-8 自我對準(二) ….………………………..…….40 (e)介電質蝕刻(f)光阻蝕刻(g)絕緣層蝕刻(h)清除光阻 圖4-1 量測系統架設之示意圖 ……..…………………...48 圖4-2 Ridge元件L為300 μm長之(a) L−I−V & (b) S.E.( Slope Efficiency )關係圖 ……..…..….….49 圖4-3 Ridge元件L為600 μm長之(a) L−I−V & (b) S.E.( Slope Efficiency )關係圖 ….....………….50 圖4-4 Ridge元件L為900 μm長之(a) L−I−V & (b) S.E.( Slope Efficiency )關係圖 ……..…..….….51 圖4-5 Ridge元件L為1200 μm長之(a) L−I−V & (b) S.E.( Slope Efficiency )關係圖 ……..…..….….52 圖4-6 以軟體模擬的DBR反射頻譜圖 …………………54 圖4-7 實際量測到的PL與DBR反射頻譜圖 ……….….54 圖4-8 長度300 μm的ridge元件之I−V圖 ……..………..55 圖4-9 孔徑 10 μm之RCLED元件之I−V圖 ………….55 圖4-10 長度300 μm之ridge元件之L−I圖 …………….56 圖4-11 孔徑 10 μm之RCLED元件之L−I圖 ………….56 圖4-12 ridge元件長度300 μm在不同溫度下之外部量子效率(ηext)與電流之關係圖 ………………….….……………...57 圖4-13 RCLED元件之外部量子效率( ηext )對電流關係圖 …………………………………………….………………57 圖4-14 邊射型元件在長度300−1200 μm 長度下的特徵溫度( characteristic temperature,T0 )圖 ………………………58 圖4-15 邊射型元件在不同溫度下的長度對外部量子效率之倒數關係圖 ……………………………………………….58 圖4-16 RCLED 在不同溫度下的L−I特徵曲線圖 ….….59 圖4-17 RCLED之電激光譜( EL )圖 ……………..………59 圖4-18 室溫下RCLED 的峰值波長隨注入電流( 10−100 mA )變化關係圖 ………………...……..……………………60 圖4-19 在相同的注入電流( 50 mA )下,不同溫度( 20−90°C )時的RCLED 峰值波長變化圖 ……………………………..…….60 表1-2 傳統LED、RCLED與VCSEL的比較 ………………5 表3-1 1550 nm RCLED結構表 ………………………...31

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