第十卷 第六期 - 2009年九月十一日 PDF
Counter
利用主動層部分摻雜及電流侷限孔徑結構製作高速氮化鎵綠光發光二極體
許晉瑋、許進恭*、陳正雄、林恭如、賴韋志


字體放大
速紅光二極體在POF通訊網路通常扮演一個重要的傳輸組件。根據media-oriented systems transport (MOST)標準,資料處理速度必須操作在每秒22.5百萬位元。然而,現今商用polymethylmethacrylate (PMMA) POF紅光波長操作範圍(約650 nm)的光頻寬較窄,而且傳播損耗大於高性能的POF (0.125dB/m與0.09dB/m)。當操作波長範圍在500 nm附近時PMMA損耗為最低,因此,三族氮化物系列的綠光LEDs是一個很有前景的應用選擇。雖然PMMA POF的材料散射(material dispersion) ,在波長520 nm時高於(1.5倍高)650 nm,但在包括材料與波導(waveguide)散射的全散射(total dispersion)頻譜中的無散射範圍(dispersion-free window)可以藉由PMMA的POF優化調變至520 nm。在本研究,我們利用一個電流侷限孔徑結構與矽摻雜的InXGa1-XN/GaN系列多重量子井製成的高速綠光發光二極體。藉由此元件,我們達到僅受限於MQWs自發生命期的高E-O三分貝頻寬(~330 MHz),以及一個符合POF通訊應用中合理的耦合功率(~264 uW)。

圖1、元件的剖面示意圖與電流侷限孔徑的俯示圖。
本實驗所使用之LED晶圓是利用金屬有機化學氣相沉積(metal–organic chemical vapor deposition, MOCVD)成長於藍寶石(sapphire)基板上,LED的主動層為10組InXGa1-XN/GaN系列多重量子井結構,每組包含135Å的GaN位障層(barrier layer)與25Å的InXGa1-XN位能井層(well layer)。其中在靠近負型(n-type)覆蓋層(cladding layer)的七組GaN位障層的電子濃度度大約在5×1017 cm-3,而靠近正型(p-type)覆蓋層的位障層則是未摻雜。儘管負型摻雜在InXGa1-XN/GaN系列MQW中可以提高材料品質以及輻射複合速率(radiative recombination rate ),這樣的方法會造成大多數的空乏區多落在p-type GaN附近。藉由插入靠近p-type GaN的三組未摻雜GaN位障層,在主動區域中的電場可以更為集中。這與全部為負型摻雜的MQW的GaN LEDs比較,部分MQW摻雜的GaN LEDs在相同偏壓之下,有較高的光輸出功率因此是可預期的。而在高速運用上,電流侷限孔徑結構可藉由蝕刻一部分最上面的正型GaN層以限制電流路徑並降低電容。這個電流侷限孔徑結構可去除MQW側邊因蝕刻導致的損害而影響LED的內部量子效率。圖1顯示元件的剖面圖與電流侷限孔徑的俯示圖。為了研究電流侷限孔徑與直徑對速度與LED輸出功率的影響,我們製被不同主動面積的元件其中幾何結構相似僅直徑與電流侷限孔徑的比例相異的A-D。元件A與B的比例分別是1:1與1:2,而元件C與D皆為1:3。A、B與C在正型GaN之下圓形主動區域直徑為228 um,而D則是132 um。如圖1所示,LED與兩個共平面波導電極(coplanar waveguide pad, CWP)的組合,在直流電量測時電極平行於均勻的電流分布;在交流電量測時,其中一個CWP為RF開路。

圖2、顯示四種元件光輸出功率(P)與注入電流(I)及電壓的關係插圖顯示元件A在不同驅動電流下之EL光譜。
在直流電驅動時,LED的光功率輸出量測是利用積分球或POF(直徑2 mm, NA 0.485)作為光學量測,所有四種元件的光激螢光(electroluminescence, EL)頻譜具有相似的中心波長(~510 nm)。圖2插圖顯示元件A在不同驅動電流(10到100 mA)之下有稍微藍移(blue shift)的現象(~510到~500 nm),此結果歸因於在順向偏壓下位能井中量子狀態(quantized state)因壓電場(piezoelectric field)被屏蔽而重新修正的緣故。另一張插圖顯示四種元件的電流-電壓關係曲線,其導通電壓約在3V,個別微分電阻亦附於插圖上;我們可以明顯看到剖面積與電流路徑的差異,亦即元件A的微分電阻遠小於元件D。圖2顯示四種元件光輸出功率(P)與注入電流(I)的關係,元件A明顯不同於B、C與D,其顯示較高的飽和輸出功率值,這是由於較小的發光面積與較大的微分電阻造成的嚴重熱效應所致。藉由比較POF與積分球量測的光輸出功率,得知其間之差值,進而得知此四顆元件的耦合效率皆相同為13.4%,此結果接近文獻中所發表之高速氮化鎵系列綠光發光二極體的結果(約11% )。上述類似的耦合效率可歸因於相似的遠場(far field)輸出,亦即近似於理想的Lambertian遠場分佈,其與發光孔徑的直徑大小無關。即便是發光區域最小的元件C的耦合光輸出,在50 mA之下有185 μW傳送到POF,這已足夠作為POF通訊之用。在同樣量測架構與相同電流(~100 mA)之下,即便主動面積較大(14000 vs. 10000 μm2),元件B的POF-耦合光輸出仍遠大於之前所有MQW皆負型摻雜論文所得(343 vs. 170 μW)。正如同圖2所示之P-I量測結果,其皆優於之前的結果,再次顯示部份負型摻雜MQW的優點。在交流電量測時,我們將RF訊號注入LED之中,調變的光功率經POF收集後餽入銜接在RF頻譜分析儀的低雜訊Si光接收器(New Focus: 1801)。因為在LED量測上,K-波段被動RF組件在此頻率範圍(數百個百萬赫茲)的微波損耗是可忽略的,因此我們從光接收器僅截取(de-embed)頻率響應。圖3(a)、(b)、4(a)與(b)為元件A到D在不同電流操作之下所量得之E-O頻率響應。我們明確地發現隨著操作電流密度的提升,每個元件所展現的三分貝頻寬有顯著的增加。此一現象在其他LED報告中已被指出,其成因來自於雙載子複合機率(bimolecular recombination probability)正比於主動區內注入電流密度的值。元件C與D在100 mA操作電流之下具備非常高的電流密度(大於2.2kA/cm2),並且同時展現高達330 MHz的三分貝頻寬。元件C在高速操作之下,其耦和光功率達到約264 μW,據我們所知,在發表過的三族氮化物系列LED中這是最高的調變頻寬(330 MHz),此一結果與AlGaInP系列之紅光共振腔LED(resonant cavity LED, RCLED)所發表過的3分貝頻寬最高值(300到500MHz)是可匹敵的。影響LED操作時間的主因有二,RC時間常數與自發複合時間。為了釐清元件C與D其顯著的頻寬增加值是來自何因,我們同時做了電容-電壓(C-V)與電流-電壓(I-V)量測來獲得元件因RC所限制的頻寬,在包含訊號源所產生的50歐姆電阻之下,元件A、C與D所萃取出之RC限制(RC-limted)頻寬分別是150 MHz、1GHz與3GHz,這樣的結果顯示電流侷限孔徑結構,可有效降低擴散電容值以及增加RC限制頻寬。依據所獲得的RC限制與3分貝頻寬,我們做出以下結論,在高操作電流密度之下,元件A的頻寬限制主導因素為RC延遲時間,而元件C與D則是由於自發複合時間以及元件所能承受的最大操作電流密度。高速操作表現(接近1GHz)可以從降低MQW主動層的厚度(這將造成注入電流密度增加)所預期得知。此外藉由犧牲光輸出功率(例如MQW全摻雜結構)或者是降低元件電阻及熱效應,皆能夠增加元件最大操作電流密度的可容忍值。基於測得之3分貝頻寬(約330MHz)所求得之複合時間約落在0.5 ns,這個數值與LED具有全摻雜之InGaN/GaN MQW,利用時間解析光激螢光(time-resolved PL)量測所獲得的結果(約1 ns)比較起來是相近的合理值。
圖3、為元件A和B在不同電流操作之下所量得之E-O頻率響應。
圖4、為元件C和D在不同電流操作之下所量得之E-O頻率響應。

本研究所製作之高速氮化鎵系列綠光發光二極體是藉著結合一個電流侷限孔徑結構以及負型摻雜與未摻雜的InXGa1-XN/GaN系列MQW主動層,獲得一個高E-O的3分貝頻寬(~330 MHz),以及POF耦合光功率(~264 μW),其高速操作表現可歸因於採用電流侷限孔徑結構來增加操作電流密度與降低元件電容值。
< 上一篇
下一篇 >
Copyright National Cheng Kung University