GaInNAs长波长半导体材料介绍 - 郭艳光.PPT

國立彰化師範大學 陳俊榮 GaInNAs長波長半導體材料介紹 教授：郭艷光老師 學生：陳俊榮 學號：8922042 目錄 前言 GaInNAs材料特性 元件應用 結論 前言(1) 前言(2) GaInNAs材料元素位置 III-V族半導體能隙與晶格常數之關係 GaNxAs1?x能隙與N成份x之關係 GaNAs化合物特性 GaNAs偏離傳統半導體的灰色區域。 隨著氮含量的增加，GaNAs的能帶間隙卻是逐漸減少。 增加設計半導體元件的自由度。 GaNAs具有負的能帶間隙，表示GaNAs將由N的含量來決定成為金屬或是半導體。 GaInNAs材料特性 加入In於GaAs，產生GaInAs的化合物，並增加晶格常數；加入N 於GaAs，產生GaNAs的化合物，並減少晶格常數，因此在GaInNAs中只要調整In與N的比例便能符合GaAs的晶格常數。 加入In於GaAs可減少能隙；加入N於GaAs也減少能隙。 GaInAs與GaNAs均為直接能隙之半導體化合物，所以GaInNAs也被認為是直接能隙的材料。 GaInAs、GaNAs與GaInNAs之能帶排列 M. Kondow 等人計算所得T0與?Ec之關係圖 GaInNAs元件應用 長波長側射型雷射(edge-emitting laser)。 長波長面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser)。 高溫操作之長波長光纖通訊光源(1.3 mm或1.5 mm )。 波長1.3 mm材料之能帶圖(1) 波長1.3 mm材料之能帶圖(2) 波長1.3 mm材料之能帶圖(3) 1997年第一個GaInNAs室溫連續操作之雷射結構圖 第一個GaInNAs室溫連續操作之雷射性能圖 1998年1.31 mm室溫連續操作之雷射結構 Ga0.7In0.3As與Ga0.7In0.3N0.01As0.99雷射性能比較圖 Ga0.7In0.3As與Ga0.7In0.3N0.01As0.99之雷射頻譜圖 GaInNAs面射型雷射 長波長的面射型雷射應用在光纖的1.3或1.55 mm的損失窗。雖然這個長波長的範圍可由InGaAsP成長在InP的基板上而得到，但這項材料卻缺少足夠的折射率差值以形成布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，簡稱DBR)。 InGaAsP高溫時的輸出功率與效能都十分不理想。 使用GaInNAs材料來作為量子井活性層，不但有晶格匹配的GaAs基板，而且還可以達到雷射在長波長時高溫操作的穩定性。 使用GaInNAs可以直接成長GaAs/AlAs DBR為其優點。 1998年第一個GaInNAs長波長面射型半導體雷射 不同元件大小的VCSEL雷射性能圖 45 mm VCSEL溫度對臨介電流與斜率效能關係圖 結論 新穎的GaInNAs材料已證明可成長在GaAs基板。 調整In及N的含量可以得到不同的波長。 以AlGaAs為高能障之電位障(barrier)可以防止電子溢流，提高特性溫度。 取代InGaAsP成為長波長光纖通訊的光源。 Thanks for your attention!! * * 光電導論期末報告 1995年M. Kondow等人提出GaInNAs材料，GaInNAs是第 五族氮的化合物之一。許多的研究團隊在1992年開始提出 第五族氮的化合物，但卻始終受限於晶體的成長或物理特 性的量測。由於第五族氮化物不尋常的物理特性，反而 可能造成比現今的半導體材料有更好的特性。GaInNAs可 以成長在晶格互相匹配的GaAs基板上，並且具有可發出 長波長的能帶間隙，例如1.3 mm與1.55 mm甚至是更長的 波長。 GaInNAs可以配合GaAs或其它具有高能障的半導體化合物 ，以形成較深的量子井，尤其可以得到導電帶偏移 (conduction band offset，?Ec)較大的差距。如此可以有效 抑制電子在高溫時由量子井中溢流。因此GaInNAs材料將 有可能在未來取代現今長波長雷射二極體成為光纖通訊的 光源。 目前在光纖通信光源的應用上，是以雷射二極 體做為長程光纖通信在1.3 mm與1.55 mm的兩個 低損失窗的光源，而現今光纖通訊光源能在高 溫操作的需求仍在發展與研究中。 雖然長波長InGaAsP/InP雷射特性已經由具應力 的多量子井結構得到改善，但其高溫操作時的 雷射特性卻未能達到要求，這是由於 InGaAsP/InP材料在導電帶的偏異低，所以形成 的位能障不能有效侷限電子於量子井中，特別 是在高溫操作時電子溢流的情況將更嚴重。因 此具有高位能障的GaInNAs材料將可