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

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Outline

Device Structure Film Function Feature Requests Fabrication Process Pattern Sapphire Substrate

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Outline

Device Structure Film Function Feature Requests Fabrication Process

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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 (416 nm)

當年日亞化學的研發成功震驚了全世界 !

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A schematic diagram for an InGaN MQW laser diode

The energy band diagram

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 (401 nm)

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

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Improved InGaN Laser Diode

Outline

Device Structure

Film Function Feature Requests Fabrication Process The TEM images of InGaN MQW

From ： Shuji Nakamura ,Japanese Journal of Physics 2007

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ELOG Substrate

　 ELOG substrate ：

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

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High Quality n-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

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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

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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

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Light Guiding Layer

　 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

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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

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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

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Light Guiding Layer

　 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

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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

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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

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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

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Outline

Device Structure Film Function

Feature Requests Fabrication Process

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Feature Requests20

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 Piezoelectric

Polarization 造成能帶扭曲效應的問題需解決

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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

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Two – Flow MOCVD22

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)

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

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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

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