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薄膜工程及應用 薄膜在半導體雷射的應用

薄膜工程及應用 薄膜在半導體雷射的應用. 班級：光電四甲 學生：黃成靖　 499L0036 　 　江鎧任　 499L0088 指導老師：吳文端 老師. Outline. Device Structure Film Function Feature Requests Fabrication Process. Pattern Sapphire Substrate. Outline. Device Structure Film Function Feature Requests Fabrication Process.

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薄膜工程及應用 薄膜在半導體雷射的應用

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  1. 薄膜工程及應用薄膜在半導體雷射的應用 班級：光電四甲 學生：黃成靖　499L0036 　 　江鎧任　499L0088 指導老師：吳文端 老師

  2. Outline • Device Structure • Film Function • Feature Requests • Fabrication Process Pattern Sapphire Substrate

  3. Outline • Device Structure • Film Function • Feature Requests • Fabrication Process

  4. InGaN Laser Diode • 下圖是Dr. Nakamura於1995年發表的全世界第1個可以在室溫下連續脈衝操作的藍光雷射(416nm) • 當年日亞化學的研發成功震驚了全世界! A schematic diagram for an InGaN MQW laser diode The energy band diagram

  5. ImprovedInGaN Laser Diode • 下圖是Dr. Nakamura於1997年10月發表的ELOG基板上的InGaN藍紫光雷射二極體(401nm) • 此改良型LD在室溫下連續操作(RT-CW)的壽命可達10000小時左右；此元件表現及製程技術在當時無人能出其右，可以說是一個驚世鉅作 • Nichia在2001年開始銷售430~445nm，最大輸出功率5mW的藍光LD，單顆售價30萬日圓

  6. Outline • Device Structure • Film Function • Feature Requests • Fabrication Process The TEM images of InGaN MQW From：Shuji Nakamura,Japanese Journal of Physics 2007

  7. ELOG Substrate ELOGsubstrate： • 為了要盡可能降低GaN與Sapphire不匹配產生的Threading dislocation density，運用了側向磊晶技術與SiO2遮罩，將TDs阻擋而無法向上延伸，使得原本高達108~1010缺陷密度下降至106~107 cm-2

  8. High Qualityn-GaN n-GaN： • 在ELOG 基板上磊晶出來的n-GaN缺陷密度非常少 (106cm-2以下)，即可得高Quality之GaN • 在此層上成長的雷射可以獲得相當高品質的多層膜結構

  9. Buffer Layer n-In0.1Ga0.9N： • 該層作為MD-SLSs與n-GaN的應力釋放層，亦可作為其緩衝層。如果沒有這一層，AlGaN與n-GaN間的晶格不匹配而產生的應力容易產生缺陷，甚至出現crack

  10. Modulation - Doped Strained - Layer Superlattices Cladding Layer MD-SLSs： • 採用120週期之調製摻雜Al0.14Ga0.86N/ GaN:Si之superlattices來取代單層AlGaN侷限層 • 此改良結構可得當較低的電阻與較厚之AlGaN侷限層厚度 • MD-SLSs使得元件的起始電壓下降至4.6V

  11. Light GuidingLayer n-GaN： • 此層作為光的波導層，利用折射率差異來造成光在傳播上的限制 • 當MQW的折射率大於周圍的折射率時，光輻射的傳播會被引導在各個層界面平行的方向

  12. Multiple Quantum Well MQW： • 為電子電洞對輻射復合的所在，雷射發出的波長也有此區域決定 • 薄膜Quality的要求非常高，厚度、合金比例以及摻雜濃度都非常講究 • MQW的侷限可以減少Active層能階的密度，所以減少需要注入的載子濃度已達到居量反轉

  13. Electron Blocking Layer p-Al0.2Ga0.8N： • 此層扮演著2個重要角色：分別是長p-GaN時的應力緩解層，防止MQW與之脫離；另一個是兼具電子阻擋層的功能，提高IQE

  14. Light GuidingLayer p-GaN： • 此層作為光的波導層，利用折射率差異來造成光在傳播上的限制 • 當MQW的折射率大於周圍的折射率時，光輻射的傳播會被引導在各個層界面平行的方向

  15. Modulation - Doped Strained - Layer Superlattices Cladding Layer MD-SLSs： • 採用120週期之調製摻雜Al0.14Ga0.86N/ GaN:Si之superlattices來取代單層AlGaN侷限層 • 此改良結構可得當較低的電阻與較厚之AlGaN侷限層厚度 • MD-SLSs使得元件的起始電壓下降至4.6V

  16. Contacting Layer p-GaN： • 此層需與P電極形成良好Ohmic contact，以得到低得Contact resistance，可以選用高Work function之金屬，例如：Ni、Au、Pt 　這樣的MS界面可以形成低的能障高度

  17. p–Electrode&n-Electrode p&n Electrode： • P電極金屬結構為Ni/Au Au/Ni/p-GaN • N電極金屬結構為Ti/Al Al/Ti/n-GaN

  18. Outline • Device Structure • Film Function • Feature Requests • Fabrication Process

  19. Feature Requests • 1. Threading dislocation density要足夠低 • 2. Strain必須要緩解釋放掉 • 3. Light extraction efficiency要提升 • 4. Interface間的阻值要低 • 5. Spontaneous與PiezoelectricPolarization造成能帶扭曲效應的問題需解決

  20. Outline • Device Structure • Film Function • Feature Requests • Fabrication Process ELOG on GaN / PSS From：國立中興大學武東星教授 , Applied Physics Letter , 2007

  21. Two – Flow MOCVD • Nichia採用雙流式的MOCVD成功磊晶出雷射結構 From：Nakamura,Harada, and Seno, Jpn. Appl. Phys. 58, 2021 (1991)

  22. Epitaxial Lateral Overgrowth 側向成長技術 ELO： • 利用蒸鍍與黃光技術成長SiO2遮罩層 • 可阻擋位錯缺陷(TDs)往上延伸至MQW • 可大幅降低位錯缺陷密度至106~107cm-2以下

  23. References • Shuji NAKAMURA Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997)pp. L 1568-L1571 Part 2 , No. 12A, 1 December 1997 • Physics of photonic devices ,Chuang, Shun Lien. • 劉如熹 “白光發光而集體製作技術-由晶粒金屬化至封裝”,全華出版社 • 紀國鐘 蘇炎坤 “光電板導體技術手冊”,台灣電子材料與元件協會 • 原著/S.O.Kasap翻譯/黃俊達 陳金嘉 楊奇達 楊國輝 雷伯勳 “光電半導體元件”,全威圖書有限公司 • PIDA財團法人光電科技工業協進會 “2008年新興光電科技術發展與應用瞭望”,第一章 發光二極體技術與應用趨勢 Thanks for your attention !!

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