國(guó)立彰化師范大學(xué)光電工程技術(shù)研究所 碩士論文 指導(dǎo)教授：郭艷光 教授 藍(lán)紫光雷射與氮化物材料特性之分析 究生：林正洋 撰 中華民國(guó)九十三年六月 國(guó)立彰化師范大學(xué) 光電工程技術(shù) 研究所 碩士論文 研究生： 林正洋 藍(lán)紫光雷射與氮化物材料特性之分析 論文業(yè)經(jīng)審查及口試合格特此證明 論文考試委員會(huì)主席 _ 委員： _ _ 指導(dǎo)教授：郭艷光博士 _ 所 長(zhǎng)：吳仲卿主任 _ 中華民國(guó)九十三年六月 國(guó)立彰化師范大學(xué) 博碩士論文電子檔案上網(wǎng)授權(quán)書(shū) (提供授權(quán)人裝釘于紙本論文審定頁(yè)之次頁(yè)用 ) 本授權(quán)書(shū)所授權(quán)之論文為授權(quán)人在 國(guó)立彰化師范 大學(xué) 光電工程技術(shù) 研究所 92 學(xué)年度第 二 學(xué)期取得 碩 士學(xué)位之論文。 論文題目： 藍(lán)紫光雷射與氮化物材料特性之分析 指導(dǎo)教授： 郭艷光 教授 茲同意將授權(quán)人擁有著作權(quán)之上列論文全文（含摘要），授權(quán)本校圖書(shū)館及國(guó)家圖書(shū)館，不限地域、時(shí)間與次數(shù)，以電子檔上載網(wǎng)路等數(shù)位化方式，提供讀者基于個(gè)人非營(yíng)利性質(zhì)之線(xiàn)上檢索、閱覽、下載或列印。 論文電子全文上載網(wǎng)路公開(kāi)時(shí)間： 一、校內(nèi)區(qū)域網(wǎng)路： 立刻公開(kāi) 1 年后公開(kāi) 2 年后公開(kāi) 3 年后公開(kāi) 4 年后公開(kāi) 5 年后公開(kāi) 不公開(kāi) 二、校外網(wǎng)際網(wǎng)路： 立刻公開(kāi) 1 年后公開(kāi) 2 年后公開(kāi) 3 年后公開(kāi) 4 年后公開(kāi) 5 年后公開(kāi) 不公開(kāi) 指導(dǎo)教授：郭艷光 教授 研究 生（授權(quán)人）簽名：林正洋 （請(qǐng)親筆正楷簽名） 學(xué) 號(hào)： 91252004 中 華 民 國(guó) 93 年 07 月 05 日 志 謝 我能完成本篇論文，第一個(gè)要感謝我的指導(dǎo)教授郭艷光老師與共同指導(dǎo)教授劉柏挺老師。這兩年來(lái)郭老師與劉老師對(duì)于我專(zhuān)業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)與生活處世上的教誨，讓我獲益良多。郭老師在文書(shū)方面上小心謹(jǐn)慎的態(tài)度以及要具藝術(shù)美感的要求，使得我在處理事情時(shí)都會(huì)以一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)積極的態(tài)度去面對(duì)。劉老師在一些待人處世上讓我可以更加地成熟穩(wěn)重，在此致上我最深的感謝 。 再來(lái)要感謝奶奶、老爸、老媽、阿 及小妹，在研究所求學(xué)中持續(xù)不斷地給支持與勉勵(lì)，讓我有充足的活力完成學(xué)業(yè)，也謝謝家人在我遇到挫折灰心時(shí)都會(huì)陪我一起走下去，即使我一個(gè)人在外無(wú)論是求學(xué)或是即將就業(yè)，我也不會(huì)覺(jué)得孤單，因?yàn)檫@一路上有你們。 接下來(lái)感謝一起打拼的實(shí)驗(yàn)室伙伴們：陳美玲老師、詒安學(xué)長(zhǎng)、志康學(xué)長(zhǎng)的指導(dǎo)與協(xié)助，使我在研究的路上能夠及早進(jìn)入狀況同時(shí)也幫助我解決許多問(wèn)題。在此也謝謝同學(xué)勝宏、漢義、孟倫、育驊，對(duì)于我在課業(yè)上、研究上以及生活上的幫助與照顧，讓我能順順利利。最后謝謝學(xué)弟妹：佩璇、秀芬、尚衛(wèi)、 嫚琳、依萍、俊榮、永政，從他們身上讓我學(xué)到不少東西，也因?yàn)樗麄兊拇嬖谧屛业纳畛錆M(mǎn)陽(yáng)光與歡樂(lè)。我相信這些咱們一起度過(guò)的日子將是令人難以忘懷，在此僅以此論文獻(xiàn)給他們。最后，再次感謝所有曾經(jīng)幫助過(guò)我的人。 目 錄 目錄 . 中文摘要 .英文摘要 .圖表索引 . 第一章 光電半導(dǎo)體 發(fā)展之簡(jiǎn)介 1 言 . 1 電半導(dǎo)體發(fā)展與其應(yīng)用之簡(jiǎn)介 . 1 化合物 . 5 氮化物發(fā)光二極體 . 6 氮化物雷射二極體 . 9 論 . 17 參考文獻(xiàn) . 18 第二章 分析藍(lán)紫光雷射特性之影響 . 20 言 . 20 . 21 擬結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)定 . 22 擬結(jié)果與分析 . 27 電子溢流現(xiàn)象之探討 . 27 分析藍(lán) 光雷射特性之影響 . 32 分析紫光雷射特性之影響 . 44 佳量子井個(gè)數(shù)設(shè)計(jì) . 55 論 . 59 參考文獻(xiàn) . 61 第三章 化鋁鎵銦材料特性之探討 67 構(gòu)之氮化銦鎵 材料 . 67 言 . 67 擬結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)定 . . 69 擬結(jié)果與分析 .70 論 78 構(gòu)之氮化鋁鎵 材料 . 79 言 . . 79 擬結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)定 . 81 擬結(jié)果與分析 . 82 論 . 94 參考文獻(xiàn) . 96 第四章 結(jié)論 . 101 附錄 A 論文發(fā)表清單 . I 定英文雜志論文： 1 篇 . I 文雜志論文： 1 篇 . I 討會(huì)論文： 5 篇 . 中文摘要 我的碩士論文主要分成藍(lán)紫光雷射特性 之分析與氮化物材料之探討兩個(gè)部份，其中第一個(gè)部份是分析 量子井 雷射 特性的影響。此章節(jié)以早期最常被使用的比值 3/7 與最近被共同認(rèn)知的比值 7/3，來(lái)探討此比值在分析藍(lán)紫光氮化銦鎵量子井雷射特性上的差異，包括 電子溢流、受激再結(jié)合速率及電子和電洞濃度分布等，并且探討量子井個(gè)數(shù)與臨界電流的關(guān)系。結(jié)果顯示多量子井結(jié)構(gòu)在較長(zhǎng)發(fā)光波長(zhǎng)時(shí)，比值 7/3 的電子濃度分布不均勻；而比值 3/7 的電洞濃度分布極不均勻。此外，比值 3/7 時(shí)， 波長(zhǎng)小于 426 兩個(gè)量子井的臨界電流較小，而大于 426 則是一個(gè)量子井的臨界電流較小。當(dāng)比值 7/3時(shí)，分界點(diǎn)波長(zhǎng)則移至 450 第二部份是我們使用最低能量法求出 構(gòu) 且分別與 s 計(jì)算出的晶格常數(shù)比較，進(jìn)而就兩個(gè)結(jié)構(gòu)分別去探討上述兩種方法所得知晶格常數(shù)對(duì) 構(gòu) 構(gòu) 能帶間 隙與彎曲系數(shù)的影響。研究 顯示， 構(gòu)使用最低能量法所得之晶格常數(shù) a 小于由 s 得之 a 值，偏異系數(shù)是 ；而使用最低能量法所得之晶格常數(shù) s 得之 c 值，偏異系數(shù)是 ；以最低能量法計(jì)算所得能帶間隙之彎曲系數(shù)為 由 s 到 能帶間隙之彎曲系數(shù)為 構(gòu) 使用最低能量法所得之晶格常數(shù) a 大于由 s 得之 a 值，偏異系數(shù)是 ； 最低能量法計(jì)算所得能帶間隙之彎曲系數(shù)為 遵守 s 得到 能帶間隙之彎曲系數(shù)為 而 最低能量法計(jì)算所得 構(gòu)接能隙與間接能隙之轉(zhuǎn)換點(diǎn) 度為 度小于 為直接能隙材料， 度大于 為間接能隙材料。 n I of of In of of an 00 480 nm of , , is by of of in is , of is is if is 50 if is 50 In of on is to of a c of to s a c A eV is by of eV is s a of is to s of is to . A eV is by of eV is s is a x = by of is a is an is 圖表索引 圖 光電半導(dǎo)體常用的材料與頻譜。 . 2 圖 半導(dǎo)體發(fā)光二極體的發(fā)展概況。 . 3 圖 異質(zhì)藍(lán)光發(fā)光二極體之結(jié)構(gòu)圖。 . 7 圖 單量子井高亮度藍(lán)紫光發(fā)光二極體之結(jié)構(gòu)圖。 . 8 圖 藍(lán)寶石基板上的雷射結(jié)構(gòu)。 11 圖 覆層成在藍(lán)寶石 化鎵基板上的雷射結(jié)構(gòu)。 . 12 圖 化鎵基板之截面圖。 (b)為 (a)之示意圖，如雷射成長(zhǎng)在射效能不佳。 . 13 圖 化鎵基板上成長(zhǎng)雷射結(jié)構(gòu)。 . 14 圖 雷射在 20 C 及 3 所需的電流與雷射壽命圖。曲線(xiàn) (a)是雷射結(jié)構(gòu)長(zhǎng)在 10 m 厚 化鎵和藍(lán)寶石基板，曲線(xiàn) (b)是雷射結(jié)構(gòu)長(zhǎng)在 80 m 厚的 化鎵基板。 . . 14 圖 波長(zhǎng)約為 408 射量子井個(gè)數(shù)與臨界電流之關(guān)系圖。 . 15 圖 波長(zhǎng)為 435 射量子井個(gè)數(shù)與臨界電流之關(guān)系圖。 . 16 圖 中圖 b)為導(dǎo)電帶井深較小的結(jié)構(gòu)，電子溢流比較嚴(yán)重。 . . 藍(lán)紫光氮化銦鎵量子井雷射模擬結(jié)構(gòu)圖。 (a)藍(lán)光， (b)紫光。 23 圖 量子井雷射結(jié)構(gòu)，變化不同鋁濃度 之氮化鋁鎵阻礙層時(shí)，電子溢流對(duì)總電流之關(guān)系圖。 (a)3/7， (b)7/3。 . 28 圖 量子井雷射結(jié)構(gòu)，變化不同鋁濃度之氮化鋁鎵阻礙層時(shí)，活性區(qū)電流對(duì)總電流之關(guān)系圖。 (a)3/7， (b)7/3。 . 29 圖 a)3/7， (b)7/3。 . . 34 圖 量子井藍(lán) 光雷射結(jié)構(gòu)的受激再結(jié)合速率圖。 (a)3/7， (b)7/3。 . 36 圖 子井藍(lán)光雷射結(jié)構(gòu)，不同量子井個(gè)數(shù)情況下的受激再結(jié)合速率圖。 (a)3/7， (b)7/3。 圖 量子井藍(lán)光雷射結(jié)構(gòu)的電子濃度分布圖。 (a)3/7， (b)7/3。 . 39 圖 量子井藍(lán)光雷射結(jié)構(gòu) 的電洞濃度分布圖。 (a)3/7， (b)7/3。 40 圖 子井藍(lán)光雷射結(jié)構(gòu)，不同量子井個(gè)數(shù)情況下輸出功率對(duì)輸入電流關(guān)系圖。 (a)3/7，(b)7/3。 . 41 圖 量子井紫光雷射結(jié)構(gòu)的能帶圖。 (a)3/7， (b)7/3。 44 圖 量子井紫光雷射結(jié)構(gòu)的受激再結(jié)合速率圖。 (a)3/7， (b)7/3。 . 45 圖 子井紫光雷射結(jié)構(gòu)，不同量子井個(gè)數(shù)情況下的受激再結(jié)合速率圖。 (a)3/7， (b)7/3。 47 圖 量子井紫光雷射結(jié)構(gòu)的電子濃度分布圖。 (a)3/7， (b)7/3。 . 49 圖 量子井紫光雷射結(jié)構(gòu) 的電洞濃度分布圖。 (a)3/7， (b)7/3。 . 50 圖 掉 ， 7/3。 (a) 電子濃度分布圖， (b)電洞濃度分布圖。 .51 圖 子井紫光雷射結(jié)構(gòu)，不同量子井個(gè)數(shù)情況下輸出功率對(duì)輸入電流關(guān)系圖。 (a)3/7，(b)7/3。 . . 53 圖 單量子井與雙量子井雷射結(jié)構(gòu)的臨界電流對(duì)波長(zhǎng)關(guān)系圖。 a)3/7， (b)7/3。 .56 圖 構(gòu) 晶格常數(shù) a 對(duì)銦濃度之關(guān)系圖。 71 圖 構(gòu) 晶格常數(shù) c 對(duì)銦濃度之關(guān)系圖。 71 圖 構(gòu) 能帶結(jié)構(gòu)圖。 . 75 圖 . 76 圖 立方晶系的 構(gòu)圖 。 . 80 圖 構(gòu) 體結(jié)構(gòu)圖。 . 83 圖 構(gòu) 85 圖 構(gòu) 能帶結(jié)構(gòu)圖。 . 89 圖 構(gòu) 接和間接能隙與鋁濃度之關(guān)系圖。 91 表 日亞公司發(fā)光二極體之發(fā)展。 . 9 表 日亞公司雷射二極體之發(fā)展。 . 10 表 射結(jié)構(gòu)的寬度會(huì)影響輸出之雷射光的震蕩情形。 25 表 關(guān)參數(shù)設(shè)定值與參考文獻(xiàn)。 . 26 表 3/7， 量子井雷射結(jié)構(gòu)，在不同鋁濃度之氮化鋁鎵阻礙層時(shí)，輸入不同電流值下電子溢流百分比。 30 表 7/3， 量子井雷射結(jié)構(gòu)，在不同鋁濃度之氮化鋁鎵阻礙層時(shí)，輸入不同電流值下電子 溢流百分比。 . 31 表 3/7 與 7/3 時(shí)， 子井藍(lán)光雷射結(jié)構(gòu)，不同量子井個(gè)數(shù)情況下之臨界電流值與雷射效能。 42 表 3/7 與 7/3 時(shí)， 子井紫光雷射結(jié)構(gòu)，不同量子井個(gè)數(shù)情況下之臨界電流值與雷射效能。 54 表 3/7 時(shí)，單量子井與雙量子井 雷射結(jié)構(gòu)，在不同波長(zhǎng)下之臨界電流值。 57 表 7/3 時(shí)，單量子井與雙量子井雷射結(jié)構(gòu)，在不同波長(zhǎng)下之臨界電流值。 58 表 a。 . 73 表 c。 . 74 表 構(gòu) 能帶間隙。 76 表 構(gòu) 單位晶格體積。 77 表 最低能量法 求得 . 84 表 最低能量法 求得 構(gòu) 晶格常數(shù) a 值與其他學(xué) 者比較。 . 85 表 構(gòu) 晶格常數(shù)a。 .表 隙。 . 92 表 隙。 . 92 表 構(gòu) 位晶格體積。 . 92 第一章 光電半導(dǎo)體發(fā)展之簡(jiǎn)介 言 光源對(duì)于人類(lèi)的日常生活影響非常大， 19 世紀(jì)初，人們開(kāi) 始使用煤氣燈，因?yàn)槿剂鲜敲簹猓砸坏氯蚵?，就很容易出事。直?1880 年愛(ài)迪生發(fā)明電燈，對(duì)于照明有了重大的改變，大大改善人們的生活品質(zhì)，這也讓光源的使用更加安全，而電力的時(shí)代也從這一刻開(kāi)始。電燈的發(fā)明影響人們生活至今已超過(guò)一百年，雖然今日的主要照明設(shè)備還是以日光燈或傳統(tǒng)燈泡為主，但是隨著每年全球人口的快速增加，使得生活空間與能源變的愈來(lái)愈不足。所以為了減少資源的浪費(fèi)與提高人類(lèi)的生活品質(zhì)，人們?cè)谌嗄昵熬驼归_(kāi)光電半導(dǎo)體的研究，這是另一個(gè)照明革命的開(kāi)始。光電半導(dǎo)體發(fā)光二極體 (雷射二極體 (有省電、高亮度、高效率、體積小、重量輕和元件壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，由于如上述之優(yōu)點(diǎn)使得光電半導(dǎo)體有逐漸取代傳統(tǒng)照明光源的趨勢(shì)。 電半導(dǎo)體發(fā)展與其應(yīng)用之簡(jiǎn)介 從光電半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史中可以得知，早期光電半導(dǎo)體材料是以成長(zhǎng)砷化鎵 (技術(shù)比較成熟。所以在 60 年代與 70 年代間便已經(jīng)有發(fā)光二極體及雷射二極體制成而且最先被使用到光纖通信系統(tǒng)上，其發(fā)光波長(zhǎng)為 850 80 年代因?yàn)橛袡C(jī)金屬氣相磊晶技術(shù) (以成功的成長(zhǎng)光電半導(dǎo)體材料，所以對(duì)于整個(gè)光電元件發(fā)展有了很大的幫助。因?yàn)楣饫w通信傳輸系統(tǒng)在 1300 1550 別有最小色散窗 (最低損失窗 (而且 850 光纖傳輸中會(huì)有高能量的擴(kuò)散和低傳輸速率等缺點(diǎn)，所以在長(zhǎng)程光纖通信傳輸系統(tǒng)逐漸被取代，使得全球的光纖傳輸系統(tǒng)能普及化與世界化，造就了我們?cè)诰W(wǎng)路無(wú)國(guó)界并奠定高速資訊網(wǎng)際 網(wǎng)路的基礎(chǔ)。 圖 電半導(dǎo)體常用的材料與頻譜。 光電半導(dǎo)體除了在光纖通信傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用外，光電半導(dǎo)體在照明方面的應(yīng)用非常有前景。尤其在可見(jiàn)光發(fā)光范圍，目前研究學(xué)者已成功地開(kāi)發(fā)出光電半導(dǎo)體有綠光、黃光以及紅光，其材料如三元的砷化鋁鎵 (四元的磷化鋁鎵銦 (合物材料等。而藍(lán)紫光的部份就以三元的氮化銦鎵 (料特別重要，主要是因?yàn)榈熸壟c磷化鋁鎵銦化合物都屬直接能隙，光電量子轉(zhuǎn)換效率較佳，所以是屬于高亮度的發(fā)光材料。 上述這兩種材料可以完全包涵紫外線(xiàn)及所有可見(jiàn)光的 范圍如圖 示，圖中的 產(chǎn)生藍(lán)綠光至紫外領(lǐng)域的光線(xiàn)； 產(chǎn)生波長(zhǎng)670 紅光； 合應(yīng)用于波長(zhǎng) 780 光儲(chǔ)存與光資訊處理； 合應(yīng)用于波長(zhǎng) 850 合應(yīng)用于波長(zhǎng) 980 光 合應(yīng)用于波長(zhǎng) 1300 1550 高速網(wǎng)際網(wǎng)路通信。 圖 導(dǎo)體發(fā)光二極體的發(fā)展概況。 氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦 材料的發(fā)光波長(zhǎng)以綠光，約 550 為分界，而這波長(zhǎng)也剛好是人類(lèi)眼睛最靈敏的綠光 。 所以我們大約可以分成長(zhǎng)波長(zhǎng)(波長(zhǎng)大于 550 黃光、紅光以四元化合物為主要發(fā)光材料，而短波長(zhǎng) (波長(zhǎng)小于 550 綠光、藍(lán)光到紫外線(xiàn)則必須依賴(lài)三元氮化鎵材料。圖 光強(qiáng)度是以愛(ài)迪生第一個(gè)燈泡為標(biāo)準(zhǔn) 的相對(duì)比值。我們可以由圖得知，氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦材料的發(fā)光強(qiáng)度皆是愛(ài)迪生第一個(gè)燈泡的好幾倍。因?yàn)檫@些材料是屬于直接能隙材料、高亮度發(fā)光二極體，所以它們可以使用在室內(nèi)與室外，如此有較廣泛 的用途，如室內(nèi)的照明、汽機(jī)車(chē)的煞車(chē)燈尾燈、街道上的廣告電子顯示看板和高速公路上的顯示看板等。 目前發(fā)光二極體已具備紅、綠、藍(lán)三種基本色系，所以 光電半導(dǎo)體燈泡取代傳統(tǒng)光源的速度會(huì)逐漸的加快。最明顯的地方是交通號(hào)志燈，不僅在亮度上或用電方面皆比之前的傳統(tǒng)光源亮且省電，可以大幅降低用電量，而且光電半導(dǎo)體燈泡的壽命約在數(shù)萬(wàn)小時(shí)以上，壽命比傳統(tǒng)光源長(zhǎng)，這可以省去交通號(hào)志維修 的成本。光電半導(dǎo)體燈泡也會(huì)逐漸的取代傳統(tǒng)光源的照明設(shè)備，因?yàn)楣怆姲雽?dǎo)體燈泡的光電轉(zhuǎn)換效率甚佳，和傳統(tǒng)白熾燈泡相較， 5 W 功率的光電半導(dǎo)體燈 泡具有相當(dāng)于 100 W 傳統(tǒng)白熾燈泡之照明效果。由節(jié)約能源來(lái)說(shuō)，光電半導(dǎo)體燈泡若能普遍使用，可以達(dá)到節(jié)約能源之效果，也是一項(xiàng)不折不扣的環(huán)保產(chǎn)品。 不僅如此， 現(xiàn)今多媒體系統(tǒng)中， 光碟資訊儲(chǔ)存系統(tǒng)的需求因?yàn)橛跋褓Y訊的品質(zhì)愈來(lái)愈高，高解析、高畫(huà)質(zhì)，常需要較多的儲(chǔ)存空間，所以往往一片光碟片不敷使用，而氮化鎵材料的開(kāi)發(fā)成功使得藍(lán)光科技成為今日光碟機(jī)雷射讀寫(xiě)頭的寵兒。氮化鎵材料除了在可見(jiàn)光之波段外，其發(fā)光波長(zhǎng)還可以短至紫外光，現(xiàn)在利用氮化鎵材料的紫光雷射，其波長(zhǎng)為 405 三代 記憶體容量可擴(kuò)充至 20 30 顯示家庭劇院與網(wǎng)際網(wǎng)路社會(huì)的時(shí)代已來(lái)臨了。今日很熱的產(chǎn)品數(shù)位照相機(jī)， 因?yàn)槭芟抻谟洃涹w容量的限制，所以解析度往往欠佳，可以?xún)?chǔ)存的照片張數(shù)不多，而第三代 出現(xiàn)，可以克服記憶體容量不足的窘境。我們知道早期的雷射讀寫(xiě)頭為紅光，波長(zhǎng) 780 說(shuō)是第一代 碟，其影碟之資訊儲(chǔ)存量不到 1 部好萊塢電影，需二張影碟片才得以?xún)?chǔ)存。到 1997 年 11 月第二代 位影音光碟系統(tǒng)問(wèn)世，則進(jìn)一步采用 650 長(zhǎng)讀寫(xiě)頭，因雷 射讀寫(xiě)頭的波長(zhǎng)平方與資訊儲(chǔ)存密度約成反比，波長(zhǎng)愈短者，光碟資訊儲(chǔ)存密度也愈高。除此之外，第二代 統(tǒng)使用雙面、雙層技術(shù)，使得儲(chǔ)存容量可由 B 擴(kuò)充至 17 然第二代 統(tǒng)才推出沒(méi)多久，但第三代 經(jīng)在量產(chǎn)了。 由此觀之，氮化物藍(lán)光科技之崛起，不但提高人們的生活享受也帶給全球龐大的商機(jī)，從小至個(gè)人使用的燈泡照明，一般家庭用之多媒體數(shù)位影音光碟系統(tǒng)，到室外大型全彩色電子看板，甚至光纖網(wǎng)路效能的提升，都與氮化物材料息息相關(guān)，這也是全球光電半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)欣欣向榮、高速成長(zhǎng)的主要原因之一。 化合物 化合物 半導(dǎo)體材料是由 族元素中的硼 (B)、鋁 (鎵 (銦 ( V A 族元素中的氮 (N)、磷 (P)、砷 (銻 (互化合而成。因此可能的二元 化合物 半導(dǎo)體材料共有十六種，但是 硼的四種化合物的熔點(diǎn)相當(dāng)高，使得 制程 不易。鋁的三種化合物比較不穩(wěn)定， 室溫下就會(huì)與空氣中的水份發(fā)生反應(yīng)而分解，所以對(duì)于這些材料的 研究與應(yīng)用比較少。 目前在可見(jiàn)光區(qū)域的光電半導(dǎo)體材料中，是以氮化物，氮化鋁鎵銦（ 列材料、與磷化物，磷化鋁鎵銦 (大多數(shù)的研究人員所研究。其中藍(lán)綠光材料主要以氮化銦鎵半導(dǎo)體材料，紅黃光材料是由磷化鋁鎵銦來(lái)主導(dǎo)地位。 氮化物發(fā)光二極體 光電半導(dǎo)體材料在發(fā)展的過(guò)程中，因?yàn)?氮化物剛發(fā)展時(shí)，就面臨兩大問(wèn)題：無(wú)適合的基板與其匹配和 雜不易 ，所以發(fā)展腳步很緩慢。在 1983 年由 S. 人，第一個(gè)以藍(lán)寶石 (為基板，來(lái)成長(zhǎng) 氮化物，其優(yōu)點(diǎn)為藍(lán)寶石具有與纖鋅礦 (構(gòu)的氮化物相同的對(duì)稱(chēng)性、可長(zhǎng)大直徑材料、高溫下穩(wěn)定性好、很高的能帶間隙值 ( 8.8 其穿透頻譜從 145 直延伸到 5200 以對(duì)氮化物的發(fā)光波長(zhǎng)而言，藍(lán)寶石是一種不吸光的透明基板。但是藍(lán)寶石不導(dǎo)電、解離困難、 晶格常數(shù)與氮化鎵 ( 15%的差異而且熱膨脹系數(shù)也相差較大，一般常使用藍(lán)寶石的 C (1000) (2110) 圖 異質(zhì)藍(lán)光發(fā)光二極體之結(jié)構(gòu)圖。 1989 年 I. 人第一個(gè)將鎂 (雜在氮化鎵中使其成長(zhǎng)，成長(zhǎng)后 再以電子束照射而得到 氮化鎵。在 1991 年日本日亞 (司的 S. 以低溫成長(zhǎng)氮化鎵在藍(lán)寶石上，作為一緩沖層 (然后再以高溫成長(zhǎng)氮化鎵，以此獲得鏡面般平坦的膜，還利用高溫退火來(lái)活化鎂 (氫 (H)趕走而完成 工作，其發(fā)光二極體結(jié)構(gòu)如圖 1。因?yàn)檫@兩大問(wèn)題的突破， 氮化物才得以被廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。日亞公司在 1993 年成功的開(kāi)發(fā)出光度為 1 燭光 (氮化鎵藍(lán)光發(fā)光二極體 ，其壽命可達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。 圖 量子井高亮度藍(lán)紫光發(fā)光二極體之結(jié)構(gòu)圖。 1995 年 S. 人 2，利用量子井 (長(zhǎng)出氮化銦鎵 (圖 發(fā)光效能比雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)制成者為佳 (圖 這兩種結(jié)構(gòu)最主要的差別為活性層中厚的氮化銦鎵 (圖 量子井氮化銦鎵 (取代，利用這種量子井，可以改變量子井氮化銦鎵的銦濃度來(lái)得到不同的發(fā)光波長(zhǎng)，可由紫光變化到綠光，而且發(fā)光功率也比較佳。但是不同顏色光的發(fā)光功率會(huì)有差別，因?yàn)楫?dāng)銦濃度增加時(shí)其氮化 銦鎵材料會(huì)越不易制作，結(jié)晶較差，所以綠光的發(fā)光功率比藍(lán)光的發(fā)光功率低。因?yàn)槿祟?lèi)的眼睛對(duì)于不同顏色光的敏感不一樣，其中以綠光最為敏感，所以即時(shí)綠光的發(fā)光功率比藍(lán)光的發(fā)光功率低，但看起來(lái)綠光反而會(huì)比藍(lán)光亮。表 1。以上是有關(guān)氮化物發(fā)光二極體的發(fā)展情形，接下來(lái)要談氮化物雷射二極體的進(jìn)展。 表 亞公司發(fā)光二極體之發(fā)展 日期 波長(zhǎng) (結(jié)構(gòu) 光度(量子效率(%) 1991 430 0 1993 440 1994 380 1994 450 200 1994 500 000 995 500 000 995 450 525 QW/000 90 1995 405 QW/50 1995 450 QW/500 20 12000 氮化物雷射二極體 1996 年已經(jīng)有很多人在研究氮化物雷射二極體可是大多是以光激發(fā)(系統(tǒng)，在同年 S. 人是第一個(gè)成功做出可以在室溫操作的雷射二極體，但是需要很大的臨界電壓 (約2030 V，而造成元件產(chǎn)生大量的熱，所以不容易得到連續(xù)性 (蕩的雷射二極體，而是脈沖 (蕩。我們可以由表 知 1，早期的雷射二極體是成長(zhǎng)在藍(lán)寶石的 3，其長(zhǎng)晶的程 表 亞公司雷射二極體之發(fā)展 日期 基板 波長(zhǎng)(量子井?dāng)?shù) 寬長(zhǎng) ( mm) 臨界電流(kA/鏡面制造 室溫壽命 1996 17 26 30 1500 4 蝕刻 1996 0 20 1200 開(kāi) 996 (111)10 20 20 500 8 拋光 996 (111)19 10 10 500 13 拋光 1996 10 60 3 劈開(kāi) 1996 00 3 2 700 9 蝕刻 1 秒 1 1997 4 300 7 蝕刻 2040分鐘 1 1997 4 550 刻 35 小時(shí) 1 997 4 300 刻 100 小時(shí) 1.5 997 4 450 刻 300 小時(shí) 2 1997 4 450 4 蝕刻 1150 小時(shí) 2 1997 4 450 4 蝕刻 3000 小時(shí) 2 550 3 10000 小時(shí) 1 序與成長(zhǎng)發(fā)光二極體大致上相同，除了活性層使用多量子井 (約有二十幾層。 因?yàn)樗{(lán)寶石的 為需使用蝕刻 (方法，所以會(huì)得到粗造的鏡面，為了得到可以劈開(kāi) (鏡面，所以他們有成長(zhǎng)在 (111)面的尖晶石 (選擇藍(lán)寶石的 圖 寶石基板上的雷射結(jié)構(gòu)。 1997 年初， S. 人宣布可以在室溫下運(yùn)作連續(xù)性震蕩的雷射二極體，而壽命為 1 秒，同年的 10 月 30 日再度發(fā)表可以在 50 C 下運(yùn)作連續(xù)性震蕩的雷射二極體，推測(cè)在室溫下其壽命可達(dá)一萬(wàn)小時(shí)，其臨界電壓降到 左 右，而量子井?dāng)?shù) 減到只有三層到四層。日亞公司對(duì)于雷射主要有兩個(gè)重要改進(jìn)，第一是使用 的披覆層 (代替之前雷射結(jié)構(gòu)單一層的披覆 層如圖 4。因?yàn)槭褂谜{(diào)變摻雜 (以用來(lái)做高移動(dòng)率 圖 覆層成在藍(lán)寶石 化鎵基板上的雷射結(jié)構(gòu)。 (料之用，如果一次長(zhǎng)太厚會(huì)因晶格不匹配，產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力 而造成薄膜斷裂 (所以藉由摻雜雜質(zhì)的超晶格層，可以降低晶格不匹配所造成的應(yīng)力與減少電流經(jīng)過(guò)的電阻。 125 層 25 )/25 )與 125 層 25 )/25 )的披覆層，其 覆層中 鎂 (雜 ， 無(wú)摻雜； 硅 (雜， 樣無(wú)摻雜。如此一方面可以達(dá)到減少薄膜斷裂，另一方面可以降低串聯(lián)電阻，減小操 作電壓，增加光子的局限。第二是使用 化鎵基板如圖 8，此基板可以減少穿透位錯(cuò) (缺陷，而缺陷也比較能集中，由原本的缺陷 1091010 06107 是因?yàn)榇┩肝诲e(cuò)缺 陷在二氧化硅 (方會(huì)被彎曲 (結(jié)晶表面可以減少穿透錯(cuò)位 圖 化鎵基板之截面圖。 (b)為 (a)之示意圖，如雷射成長(zhǎng)在 缺陷上，雷射效能不佳。 的缺陷。做法 是先在藍(lán)寶石的 2 的氮化鎵緩沖層，然后長(zhǎng)一層約 0.1 m 厚的二氧化硅后再蝕刻掉在氮化鎵 (1100)的方向的二氧化硅，讓二氧化硅形成寬 7 m，間距 4 m 之條紋 (然后再成長(zhǎng) 10 m 厚的氮化鎵形成一平坦的面，所以可以將雷射結(jié)構(gòu)成長(zhǎng)在缺陷較少的地方。 日亞公司的 S. 人成功的在藍(lán)寶石基板上長(zhǎng)出 化(a) (b) 鎵，將穿透位錯(cuò)缺陷減少， 雷射之壽命可達(dá)一萬(wàn)小時(shí)。 1998 年 S. 圖 化鎵基板上成長(zhǎng)雷射結(jié)構(gòu)。 圖 射在 20 C 及 3 所需的電流與雷射壽命圖。曲線(xiàn) (a)是雷射結(jié)構(gòu)長(zhǎng)在 10 m 厚 化鎵和藍(lán)寶石基板，曲線(xiàn) (b)是雷射結(jié)構(gòu)長(zhǎng)在80 m 厚的 化鎵基板。 等人繼續(xù)研發(fā) 長(zhǎng)晶技術(shù)，他們成長(zhǎng)厚約 100 m 的 化 鎵于藍(lán)寶石基板上