半導體雷射技術

1. 半導體雷射技術

2. 雷射發明至今已有超過半世紀的歷史，在眾多種類的雷射中，半導體雷射一直在雷射的應用與產值中佔有最重要的角色之一雷射發明至今已有超過半世紀的歷史，在眾多種類的雷射中，半導體雷射一直在雷射的應用與產值中佔有最重要的角色之一 • 諸如：具有極小的體積與極輕的重量、低操作電壓、高效率和低耗能、可直接調制的特性、波長可調整的範圍大、可供應的雷射波長多、信賴度高、操作壽命長、具有可量產的特性並可相容於其他半導體元件整合成光電積體迴路(optoelectronicintegrated circuit, OEIC)。

3. 由於這些優異特性，使得半導體雷射得以迅速的發展並應用在許多不同的領域上，舉凡光纖通信，光儲存，高速雷射列印，雷射條碼識別，分子光譜與生醫應用，軍事用途，娛樂用途、測距與指示以及近期的雷射滑鼠、微型雷射投影等應用深入生活各個層面。由於這些優異特性，使得半導體雷射得以迅速的發展並應用在許多不同的領域上，舉凡光纖通信，光儲存，高速雷射列印，雷射條碼識別，分子光譜與生醫應用，軍事用途，娛樂用途、測距與指示以及近期的雷射滑鼠、微型雷射投影等應用深入生活各個層面。

4. 雷射光 電流注入 劈裂鏡面 p 型披覆層 增益介質 主動層 n 型披覆層 劈裂鏡面 雷射光 圖1-1 雙異質結構半導體雷射示意圖

5. 如圖1-1 所示，兩個平行劈裂鏡面組成的共振腔，稱為Fabry-Perot(FP)共振腔，雷射光在共振腔中來回振盪，再從兩邊鏡面發出雷射光，這種雷射又被稱作為邊射型雷射(edge emitting laser, EEL)。 • 在n–type 與p-type 區域中的主動增益層為發光區域。透過適當的結構設計與激發過程可以將雷射光放大，其中採用雙異質接面的n–type 與p-type 的批覆層，可分別作為電子與電洞的注入層，又可作為雷射光的光學侷限層，這種雙異質結構同時可達到載子與光場的良好侷限。

6. 一般的半導體材料因為摻雜種類不同，可分為i 型(本質半導體)、p 型、n 型半導體。 • 本質半導體無雜質摻雜，而n 型或p 型半導體利用摻雜不同的施體(donor)或受體(acceptor)，使費米能階的能量在能帶中上移或下降。 • n 型半導體的多數載子為電子，p 型則是電洞。

7. p-n 接面可以說是半導體雷射的核心，可分為同質接面(homojunction)與異質接面(heterojunction)，同質接面是指同種材料所構成的接面，而異質接面則是兩種不同材料，能隙大小不同，晶格常數相近，所形成的接面。 • 早期半導體雷射多採用同質接面製作，但因同質接面的載子復合效率較差且沒有光學侷限能力，操作電流相當高，而異質接面則可以克服這些缺點，因此目前大部分的半導體雷射皆採用雙異質接面(double heterostructure)結構。

8. 圖1-2 雙異質接面結構順向偏壓下的能帶圖、折射率與光場分佈

9. 在順向偏壓下，可發現N-p 接面只允許電子的注入，使得N 型材料成為電子注入層；而p-P 接面只允許電洞的注入，使得P 型材料成為電洞注入層。 • 位於中央的主動層材料同時匯集了電子和電洞，而電子和電洞因為受到了p-P 和N-p 接面的阻擋而被侷限，將注入載子侷限在主動層中，因此電子和電洞產生輻射復合，最後達到居量反轉(population inversion)以及閾值條件(threshold condition)而發出雷射光，而主動層能隙的大小換算成波長約等於雷射光的波長。

10. 由於能隙較小的材料通常具有較大的折射率，因此雙異質結構其折射率分佈如圖1-2 所示具有波導功能，可以讓垂直於接面的光場侷限在主動層中，關於雙異質結構的波導模態將於下一節中詳細討論。 • 綜合上述的討論，雙異質結構擁有良好的載子與光場的侷限，可以大幅降低閾值電流，使得此結構製成的半導體雷射具有優異的性能而成為最早被發展出可以在室溫連續操作的元件！