1、 國立彰化師範大學物理研究所碩士論文指導教授：郭艷光教授光通訊用磷化鋁鎵銦材料之物理特性分析與面射型半導體雷射模擬研究Investigation of the AlGaInP Properties and Numerical Study on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasersfor Optical Fiber Communication研究生：張志康撰中華民國九十三年六月i國立彰化師範大學物理研究所碩士論文研究生：張志康光通訊用磷化鋁鎵銦材料之物理特性分析與面射型半導體雷射模擬研究Investigation of the AlGaInP Prope
2、rties and Numerical Study on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasersfor Optical Fiber Communication本論文業經審查及口試合格特此證明論文考試委員會主席_委員：_ _指導教授：郭艷光博士_所 長：吳仲卿主任_中華民國九十三年六月ii國立彰化師範大學博碩士論文電子檔案上網授權書(提 供 授 權 人 裝 釘 於 紙 本 論 文 審 定 頁 之 次 頁 用 )本授權書所授權之論文為授權人在 國立彰化師範 大學 物理 研究所 92 學年度第 二 學期取得 碩 士學位之論文。論文題目： 光通訊用磷化鋁鎵銦材料
3、之物理特性分析與面射型半導體雷射模擬研究 指導教授： 郭艷光 教授 茲同意將授權人擁有著作權之上列論文全文（含摘要） ，授權本校圖書館及國家圖書館，不限地域、時間與次數，以電子檔上載網路等數位化方式，提供讀者基於個人非營利性質之線上檢索、閱覽、下載或列印。論文電子全文上載網路公開時間：一、校內區域網路： 立刻公開 1 年後公開 2 年後公開 3 年後公開 4 年後公開 5 年後公開 不公開二、校外網際網路： 立刻公開 1 年後公開 2 年後公開 3 年後公開 4 年後公開 5 年後公開 不公開指導教授：郭艷光 教授研究生（授權人）簽名： （請親筆正楷簽名）學 號：90222006中 華 民 國
4、 93 年 07 月 22 日iii誌 謝【2003/4 初稿於埔里 】首先我最需感謝的是，讓我能夠如期完成這篇碩士論文的最大功臣-郭艷光老師。郭老師不但在我碩士生涯的這幾年中，費盡心思的指導我研究知識之外，也教了我許多生活上做人、做事的大道理；況且，老師的人生與學術經歷就像百寶箱一般，叫人怎麼挖都挖不完，總是讓我有種說不出的景仰與崇拜，老師！謝謝您！再來要感謝爸爸、媽媽、姐姐們的支持與鼓勵，讓我在求學過程中能不用擔心家中的事務，而順心地走下去；也謝謝訓慈在日常生活上的鼓勵與陪伴，讓我在每個疲累的埔里夜裡，還能獨自保持勤奮不懈的精神，順利地將我的碩士論文完成。謝謝實驗室裡已畢業的三位學長姐（郁
5、妮學姊，誌原學長，文偉學長） ，帶著我一起熟悉各種模擬程式、各種實驗儀器，讓我從原本的無知變成了熟悉，也讓我在研究過程中遇到問題時能有人互相討論，真的十分謝謝你們。其中，我要特別感謝郁妮學姊，感謝他在我碩一期間的努力拉拔，讓我學到了很多研究上的知識（但也學到了許多蠢事啦！） ；加入糊塗幫後，我絕不後悔多謝幫主指導。謝謝實驗室裡所有的同學、學弟，尤其是嫚琳、勝宏、和光碩一的四位學弟，謝謝彰化的室友弘毅、國欣、翊豪，碩二的好友騰懋、榮銓，以及埔中同事國強、秀碧、美英、薇如、奇婉、王惠人老師，因為你們讓我的生活充滿樂趣，也讓我在無聊時有人可以消遣。iv誌 謝【2004/6 校稿於彰化 】研究生兼物理
6、老師的生涯終於邁向第三年的盡頭，最需要感謝的人還是我的指導教授郭艷光老師(今年剛升教授喔) ；郭教授不僅在學業上給了我最大的指導，更在培養自我能力與未來人生觀的部分，給了我相當多的學習機會，恩情所及更是無以回報。再來還要感謝系上量力教的最好的楊淳青教授，楊教授不僅在課業上給了我許多的指導，每每在系上相遇時對志康的鼓勵，更是讓我在求學的過程中充滿無限的溫馨。今年的我若能順利考上台灣師大科教所博士班，楊教授應該就是我成功的最大助力，在此一併感謝。接下來還要感謝碩士生涯中最讓人感到窩心的一群實驗室的學弟妹：勝宏(未來本研究室的超強博士，幫助我畢業的最大功臣) 、漢義(最佳枕邊人，並協助我許多寫論文的
7、雜務工作) 、孟倫(光電所第一把交椅) 、正洋 (貼心男孩 )、育驊(英文大師)、尚衛&秀芬(夜晚研究的最佳陪伴) 、嫚琳 (最適合談八卦的對象) 、俊榮( 史上超強學弟，幫助我順利畢業的功臣之一)、永政(最捧場我說笑話喇賽的好學弟)；感謝你們。最後就要感謝我的家人：爸爸媽媽(養育成人) 、姊姊(經濟支柱) 、五舅全家(提供彰化住宿)、訓慈( 心靈支柱) ；以及兩位口試委員：劉柏挺教授、黃滿芳教授對本篇論文的指導。然而，碩士頭銜若有任何榮耀的地方，都應該歸功於年事已大，卻時時支持我繼續就學的父v親志康(2004/6/21)目 錄目錄 . v中文摘要 . ix英文摘要 x圖表索引 xii第一章
8、緒論. 11.1 磷化鋁鎵銦發光元件之發展歷程. 31.2 磷化鋁鎵銦發光元件之用途. 91.2.1 光纖通訊 91.2.2 光碟機讀取頭. 111.2.3 其它 131.3 結論與參考文獻. 16第二章 文獻探討.25vi2.1 磷化鋁鎵銦材料性質的研討252.1.1 晶格匹配的問題252.1.2 能隙構造的情形272.1.3 結晶成長的方式302.1.4 磷化鋁鎵銦的材料特性(與 AlGaAs 相比)312.2 磷化鋁鎵銦發光二極體之研討332.2.1 發光二極體之結構332.2.2 改善光輸出的各種設計382.2.3 量子井活性層發光二極體442.3 磷化鋁鎵銦雷射二極體之研討472.3
9、.1 雷射二極體之結構472.3.2 雷射二極體之各種設計482.3.3 雷射二極體中漏電流的問題542.4 磷化鋁鎵銦面射型半導體雷射之研討562.4.1 面射型半導體雷射之結構及簡介56vii2.4.2 布拉格反射鏡的設計原理602.4.3 活性層的設計原理642.4.4 面射型半導體雷射之優點與應用662.5 結論與參考文獻69第三章 磷化鋁鎵銦之晶體結構與物理特性的模擬分析763.1 CASTEP 模擬軟體簡介783.2 原子排列之方式與晶體結構803.3 折射率843.4 能帶與能隙873.5 結論與參考文獻93第四章 光通訊用磷化鋁鎵銦面射型半導體雷射之模擬.954.1 紅光磷化鋁
10、鎵銦面射型半導體雷射之發展歷程974.2 光通訊用 654 nm 面射型半導體雷射之研究984.2.1 PICS3D 模擬軟體簡介1004.2.2 本研究之模擬結果與長晶實驗值之比對1004.3 模擬分析 654 nm 面射型半導體雷射之較佳結構107viii4.3.1 使用不同之結構1074.3.2 DBR 的材料選擇與厚度設計1114.3.3 變化 Spacer 共振腔長度1194.3.4 變化活性層不同成分值及量子井寬度1214.3.5 變化量子井個數1254.3.6 變化光輸出之孔徑大小1274.3.7 變化元件溫度找材料之特徵溫度1284.4 結論與參考文獻130第五章 結論139附
11、錄 A 論文發表清單 .141A.1 EI 認定英文雜誌論文：1 篇 .141A.2 研討會論文：5篇141ix中文摘要本論文主要在探討磷化鋁鎵銦所製成的發光或雷射二極體之半導體理論、該材料之物理特性、以及紅光磷化鋁鎵銦面射型雷射的理論回顧與模擬分析。在文章的一開始首先簡介磷化鋁鎵銦相關系統的發展歷程及其材料特性，並對此一材料所形成的各種應用結構（發光或雷射二極體與面射型雷射）之性能，作一些完整的回顧與介紹。在文章的主體部分，我利用兩套模擬軟體（CASTEP 與PICS3D）來探討磷化鋁鎵銦的材料基本特性與模擬紅光面射型雷射之各項光學特性及雷射性能；而我也將研究重點放在 654 nm 紅光面射
12、型雷射的模擬結構設計上，期能找出較佳的元件結構以提供相關研究人員作參考。在 CASTEP 的部分，由於半導體材料的物理性質主宰著發光元件的特性，況且，影響發光波長甚巨的能帶間隙，更是元件設計時的關鍵所在；因此，我除了利用該模擬軟體來探討磷化鋁鎵銦材料的能帶間隙之外，亦將模擬時所得到的各項物理性質與研究學家的實驗值作了比對分析，結果顯示，實驗值與模擬值之間有很好的一致性。在 PICS3D 的部分，為了設計出光通訊用較佳的紅光面射型雷射，我試著用模擬的方式去變化元件中的各種結構參數，並從各種變化中去找出雷射性能較佳的一組結構，結果，成功地設計出高效率、高性x能的雷射，且該元件對溫度的穩定性亦相當良
13、好，在未來的市場上，可望該種結構類型的面射型雷射能盡快地成為主流，在台上市。ABSTRACTIn this thesis, I mainly study the semiconductor physics of the AlGaInP light-emitting diodes (LED) and laser diodes (LD), and the properties of the AlGaInP materials. Moreover, I try to review and design red-light vertical-cavity surface-emitting lasers
14、 (VCSEL) for optical fiber communication. First of all, I briefly introduce the development history and the material characteristics of the AlGaInP semiconductor materials. A full overview of the LED, LD, and VCSEL related to the AlGaInP materials is also provided.For the main portion of this thesis
15、, I use two simulation softwares (CASTEP and PICS3D) to explore the fundamental characteristics of the AlGaInP materials, and to discuss the optical properties and laser performance of the red-light VCSEL. Special attention is paid to the structure design of 654-nm red-light VCSEL. Hopefully, the la
16、ser structures studied in this thesis may be of some help to the researchers in this field.In the CASTEP simulation, the physical properties of the semiconductor materials are investigated in detail because they are closely related to the characteristics of the emitting devices. Moreover, the energy
17、 band-gap is not only one of the most important properties that influence the xiemitting wavelength, but also the key point to design the devices. Hence, in addition to comparing all physical properties obtained from my simulation with the experimental values reported by other researchers, I use the
18、 CASTEP simulation software to explore the energy band-gaps of the AlGaInP materials. The results indicate that the physical properties obtained from my simulation are in close agreement with the experimental values reported by other researchers.In the PICS3D simulation, in order to design an optimi
19、zed red-light VCSEL for optical fiber communication, I try to vary several different parameters of the laser structures to find out the optimal structure for best laser performance. As a result, a highly efficient and high-performance AlGaInP VCSEL structure is obtained. In the meantime, the laser d
20、evice of our design is very stable even at elevated operating temperature. It is my hope that this kind of VCSEL structure may become the main stream in Taiwans business marketplace in the near future.xii圖表索引圖 1.1 (a)第一具能在室溫下操作的磷化鋁鎵銦連續波雷射結構圖；(b)為(a)所示的元件之電流對輸出功率隨溫度變化圖.5圖 1.2 PS、PMMA、PMMA-d5、和 PMMA-d
21、8 的吸收頻譜.10圖 2.1 室溫及長晶溫度下，(a)磷化鎵銦中鎵的比例，(b)磷化鋁銦中鋁的比例，和晶格常數的關係圖.26圖 2.2 AlGaInP 及其有關材料之室溫晶體常數與能隙之關係.27圖 2.3 (AlyGa1-y)0.5In0.5P 或 AlyGa1-yAs 之能隙與成分 y 之關係28圖 2.4 在 Ga0.5In0.5P/(AlyGa1-y)0.5In0.5P 異質結構中導電帶，價電帶偏差與成分 y 之關係29圖 2.5 室溫載子濃度、載子移動率與 Al 成分 x 在(Al xGa1-x)0.5In0.5P中之關係(a)Se 摻雜， (b)Zn 摻雜.31圖 2.6 發光二
22、極體不同的電歐姆接觸方法.33圖 2.7 AlGaInP 電流堵塞結構之各項比較.35圖 2.8 比較不同材料及不同厚度之窗口的電流分佈圖.36xiii圖 2.9 比較 p-GaP 不同厚度窗口材料之電流分佈圖.37圖 2.10 有無透明傳電的電流分佈層之各項比較圖.38圖 2.11 有吸收性基板、透明基板及加上 DBR 時光輸出之比較圖.39圖 2.12 LED 晶片在不同結構時光輸出之示意圖.40圖 2.13 AlGaInP LED 晶粒與包裝好的 LED 在不同 GaP 窗口層厚度時光輸出之比較圖.41圖 2.14 用 DBR 反射鏡之 AlGaInP LED 結構圖與比較有無 DBR
23、反射鏡時光輸出與電流之關係圖.42圖 2.15 使用不同的基板時光輸出與電流之關係圖.43圖 2.16 使用透明基板時光之穿透率和波長關係與其 L-I 的性能圖 43圖 2.17 量子井活性層結構與其光輸出圖.44圖 2.18 有補償應變多量子井結構與其光輸出圖.45圖 2.19 有壓縮應力電障被覆層結構與其光輸出圖.46圖 2.20 有伸張應力電障被覆層結構與其光輸出圖.46圖 2.21 最常用的兩種(Al xGa1-x)0.5In0.5P 雷射結構圖 47圖 2.22 AlGaInP 雙異質雷射結構(a)一般的(b)有雙披覆層48圖 2.23 (AlxGa1-x)0.5In0.5P 活性層
24、中 Al 成分 x 與雷射波長之關係48圖 2.24 在 GaInP/(AlxGa1-x)0.5In0.5P 雙異質雷射結構中成分 x 與臨界電流 Jth 及特性溫度 T0 之關係圖49圖 2.25 AlGaInP/(AlxGa1-x)0.5In0.5P 含應力之量子井雷射的結xiv構51圖 2.26 比較活性層量子井在三種不同受力情形下之能帶情況.52圖 2.27 GaxIn1-xP/(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P 含應力量子井之厚度與波長關係.53圖 2.28 633 nm 波長 GaInP/AlGaInP 量子井雷射臨界電流與應力大小之關係.53圖 2.29 由 AlGaIn
25、P 的能隙圖分析該結構之漏電流與 p-摻雜的關係 54圖 2.30 Ga0.45In0.55P 量子井雷射，Al 0.5In0.5P 披覆層在高電洞濃度(p=1.31018 cm-3)及低電洞濃度(p=0.7 1018 cm-3)時，臨界電流與溫度之關係.55圖 2.31 一般常見 VCSEL 的結構簡圖56圖 2.32 VCSEL 的四種基本結構57圖 2.33 AlxGa1-xAs 的氧化率與 Al 含量、厚度之關係圖.59圖 2.34 有氧化層與無氧化層之 DBR 反射頻譜圖60圖 2.35 DBR 的設計原理與其反射頻譜圖.61圖 2.36 在不同反射率時，臨界電流與活性層厚度之關係圖
26、.62圖 2.37 用三種不同材料得到的反射率與週期數目之關係圖.63圖 2.38 DBR 材料之能帶示意圖.64xv圖 2.39 上下 DBR 及活性層沿著雷射軸線之導電能帶圖65圖 2.40 雷射增益與共振波長之關係圖.66圖 2.41 側射型雷射與面射型雷射的示意圖.66圖 3.1 半導體常見的兩種結構圖.81圖 3.2 三種二元磷化物的 Zinc-blende 結構圖.82圖 3.3 三種二元磷化物的 Wurtzite 結構.83圖 3.4 AlP 的折射率圖.84圖 3.5 GaP 的折射率圖85圖 3.6 InP 的折射率圖.85圖 3.7 AlP 之能帶結構圖 88圖 3.8 G
27、aP 之能帶結構圖89圖 3.9 InP 之能帶結構圖.90圖 3.10 AlGaInP 材料之晶格常數對能帶間隙之關係圖.91圖 4.1 初步模擬的元件結構圖.99圖 4.2 實驗值與模擬值之雷射輸出對輸入電流關係圖的比較.105圖 4.3 立體圓柱形 VCSEL 結構.107圖 4.4 不同元件直徑（30 m 及 60 m）的 L-I 雷射性能xvi圖108圖 4.5 變化電流集中灑下元件結構之頂部區域大小所得之 L-I 比較圖.109圖 4.6 不同元件大小與不同長晶結構的 L-I 雷射性能圖.110圖 4.7 光波行經不同折射率之材料時的示意圖.112圖 4.8 p-type 與 n-
28、type DBR 的反射頻譜圖113圖 4.9 Al0.5Ga0.5As/AlAs DBR 於不同對數時的反射頻譜圖.114圖 4.10 不同 p-DBR Al0.5Ga0.5As/AlAs 對數臨界電流與雷射效能圖115圖 4.11 不同 p-DBR 摻雜濃度的輸入電流對輸出功率圖116圖 4.12 不同 DBR 材料之 L-I 性能比較圖.117圖 4.13 不同 DBR 材料之 n-DBR 反射頻譜比較圖117圖 4.14 不同 DBR 材料之 p-DBR 反射頻譜比較圖.118圖 4.15 不同雷射共振腔長的輸入電流對輸出功率圖.119圖 4.16 模擬不同井寬對自發輻射頻譜的關係圖.
29、122圖 4.17 自發輻射率頻譜圖.122圖 4.18 活性層中使用不同應力時的雷射性能比較圖.123圖 4.19 不同量子井個數的雷射性能圖.125xvii圖 4.20 (a)三個量子井的位置與光子駐波的疊合圖；(b)活性層的電子電洞結合率與長晶方向的位置關係圖.126圖 4.21 不同光輸出孔徑之 L-I 性能比較圖.127圖 4.22 變化元件操作溫度的雷射性能圖.128圖 4.23 溫度與臨界電流之關係圖.129圖 4.24 元件之增益頻譜圖.130圖 4.25 靠近活性層之能帶曲線圖.131圖 4.26 輸入電流對次強模式壓制比例與輸出功率的關係圖.131圖 4.27 臨界電流前後
30、的雷射頻譜圖.132表 1.1 高功率 DVD 雷射規格12表 3.1 理論模擬與實驗數據之各種磷化物的 Eg值91表 4.1 完整的核心程式.1011第一章 緒論光電半導體在二十一世紀的社會上由於研究人員大量的投入與研發而備受矚目，舉凡生活週遭各種最新科技的產品：如交通號誌燈、電子廣告看板、CD、CD ROM、PDA、手機、光纖傳輸系統、工業及醫療用雷射等，沒有一樣東西不與光電半導體有關。本篇論文所探討的主題，主要鎖定在兩大部分：一部份在探討光電半導體中最常見的發光二極體（Light-Emitting Diodes， LED）與雷射二極體（Laser Diodes，LD）之各種理論與實務分析
31、，以及磷化鋁鎵銦（AlGaInP）材料之物理特性；另一部份則在設計與模擬光纖通訊用的面射型雷射（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers， VCSEL） 。LED 與 LD 的發明不但比一般傳統光源發光的效率還高，且成本也逐漸低廉，未來勢必成為照明的主力；而在 VCSEL 的部分由於其發出的雷射光訊號較容易耦合於光纖中，並且已經有不少公司在投入與發展這一類的半導體雷射，預計在未來的市場佔有率也會逐漸普及。目前在可見光區域的光電半導體中，以 AlGaInP 的紅黃光材料以及氮化銦鎵（InGaN）的藍綠光材料居於主導的地位；由於 AlGaInP材料的發展歷史約
32、有二十多年之久，相較於僅啟蒙十多年的 InGaN 材料，AlGaInP 材料的光電半導體遠比 InGaN 材料來的成熟許多，在應用上也就更能被研究學家完整的掌握，這也就是為什麼在本篇論文中要以 AlGaInP 材料當成研究對象的主因。然而，在早期的半導體雷射2大多屬於砷化鋁鎵（AlGaAs） 、砷磷化銦鎵（InGaAsP） 、AlGaInP 三種材料為主，就可見光區而言，三者中又以 AlGaInP 材料系統具有最寬的直接能隙（發光範圍橫跨紅光到綠光之間） ，遠比 AlGaAs 及InGaAsP（只能發紅外光及紅光）的發光範圍大了許多。況且，為了因應近年來高密度光儲存及光通訊的蓬勃發展，便必須採
33、用較高功率且短波長的雷射才能達成這樣的需求，因此，AlGaInP 材料也就自然躍升為各界對半導體雷射研究的主流。除此之外，AlGaInP 材料系統具有良好的長晶品質，以及晶格匹配（Lattice Matched）且導電的基板，充分擁有了商業化的實力，因此即使到了今日，這個材料系統依舊深受重視及廣泛的被研究探討。在本章節中，我將對 AlGaInP 材料的發展歷程與其發光元件的用途作一個詳細說明，並在本章節的最後探討 AlGaInP 材料的各種應用。31.1 磷化鋁鎵銦發光元件之發展歷程紅光雷射的應用極廣，例如：DVD 雷射、印刷、醫療以及測量等。為了要做紅光雷射，很多- 及- 族半導體材料也就紛
34、紛的被拿出來做探討與比較，其中，最成功的材料應該是 AlGaInP了。此乃由於 AlGaInP 長在晶格匹配的砷化鎵（GaAs）基板上時，不但可以得到 600700 nm 的短波長雷射，且其室溫連續震盪的雷射亦於 1985 年第一次做成功 1-3，現已可買到其商品。目前所研究開發的紅光 AlGaInP 雷射之中，大多以 DVD 及光纖通訊用之雷射為主，在高科技產業上 AlGaInP 也就成了不可或缺的元件之一。接下來就讓我們一起回顧 AlGaInP 發光元件發展勝出的歷程。1990 年以前，半導體雷射的研究重點多著重於 AlGaAs 材料系統，然而當時此材料系統室溫連續震盪的雷射波長最短極限為
35、 680 nm 4，所以過去的半導體雷射只能發在長波長的區段，這也就是為什麼早期的雷射光都是以紅光居多的主因。但為何 AlGaAs 材料系統會有這樣的一個問題呢？其主要原因有三 5：第一，當發光波長越短， AlAs 的含量就必須增加，而使得直接能隙中導電帶的最低點，會越接近間接能隙中導電帶的最低點，造成電子電洞的有效結合率減少；電子電洞一旦無法大量結合時，雷射的臨界電流便會嚴重的增加；第二，長晶的過程中 Al 易與其它原子產生反應，造成活性層中有許多缺陷產生，使發光效率變差；第三，良導電率的高 Al 成分 p-type 披覆層並不容易製成。基於這樣的情況，使得 AlGaAs 的發光波長無法往短
36、4波長發展下去，再加上當時高密度光儲存、印表機及光通訊等方面對短波長發光源迫切的需求，使得各界紛紛將注意力轉向具有較大能隙的 AlGaInP 材料系統上。此外，AlGaInP 材料系統亦擁有良好的基板-GaAs 可供使用，對 AlGaInP 而言，GaAs 不但可與其晶格匹配，且組合而成的半導體元件又可直接導電，真可算是上帝賜予的恩物。在長晶方面，AlGaInP 材料系統的長晶方法，捨棄了半導體發展之初最普遍被使用的液相磊晶法（Liquid Phase Epitaxy，LPE） ，而改用今日常見的有機金屬氣相磊晶法（Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy，MOVPE
37、 ）或分子束磊晶法（Molecular Beam Epitaxy，MBE）來磊晶，這是因為 LPE不適合長量子井或超晶格結構；且 LPE 在控制長晶溫度時，很難將AlP 與 InP 的固液相態達成穩定平衡，導致 AlGaInP 材料無法很有效率的製成。因此，現今的 AlGaInP 材料系統皆是用 MOVPE 或 MBE所磊晶而成。最先使用 AlGaInP 這個半導體材料的時間可追溯到 1982 年時，由 T. Suzuki 等人提出 6。他們首次於低溫下得到了 AlGaInP 雙異質結構的雷射光，其實驗操作的溫度為 90 K，並使用氬離子雷射（Ar + laser）的 514.5 nm 為激發
38、光源，得到雷射的輸出波長為 647 nm；而在此實驗中 T. Suzuki 等人發現：使用 MOVPE 所長的Al0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P/Al0.5In0.5P 雙異質結構的光激螢光（Photoluminescence）發光強度，為單一層 Ga0.5In0.5P 的十倍。因此，5推論得知：在磊晶時若使用雙異質結構，會形成較佳的晶層及晶面品質，可以提高元件的發光效率，這也就是為何後來各界在 AlGaInP 元件製作時皆採用雙異質結構的原因。1983 年時，I. Hino 7、H. Ashai 8和 D. C. Tran 9等人分別成功的製作出在室溫下利用電激發操作的 AlGa
39、InP 脈衝雷射，其中 I. Hino 是利用 MOVPE 法長出其宣稱的 AlGaInP 脈衝雷射，而 H. Ashai 和 Y. Kawamura 的 AlGaInP 晶片則是使用 MBE 所長成。於隔年，1984 年，M. Ikeda 10便在低溫下得到了可以發出連續波雷射光的 AlGaInP 半導體雷射，其活性層為 Al0.21Ga0.31In0.48P/Ga0.52In0.48P/Al0.21Ga0.31In0.48P 雙異質結構，雷射的輸出波長為 653 nm。圖 1.1 (a)第一具能在室溫下操作的 AlGaInP 連續波雷射結構圖 3；(b)如(a)所示的元件之電流對輸出功率隨
40、溫度變化圖。第一具能在室溫下操作的 AlGaInP 連續波雷射，則是於 1985 年間誕生，分別由 M. Ikeda 1、K. Kobayashi 2和 M. Ishikawa 3等人用6MOVPE 製造而成；其中 M. Ishikawa 所做的元件結構如圖 1.1(a)所示，整個元件的大小為長 250 m、寬 7 m 的狹長形塊狀結晶，活性層為(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P 雙異質結構，基板為(100)方向的 GaAs，當操作溫度為 24 C 時，雷射的輸出波長為 679 nm，臨界電流為 109 mA。在此結構
41、下，若將元件的操作溫度從 24 C 逐漸提升至 51 C 時，我們可以發現：隨著溫度的上升，該雷射之臨界電流會增加，且其量子效率也會隨之變差，相關實驗結果如圖1.1(b)所示。能夠得到室溫下操作的連續波雷射，是 AlGaInP 材料元件發展的一項重要成就，然而，建築在該成就之上的後續發展，大多都是針對縮短波長與改良元件性能兩方面的研究。其中，對於縮短波長方面，是以氦氖雷射（He-Ne Laser）的 632.8 nm 為目標，當時各界常使用的方法有以下三種 5：(一)使用四元的活性層 11-17：由於 AlGaInP 元件發展之初，活性層多採用三元的 GaInP 材料，若改用多加了 Al 成分
42、的活性層，會使能隙變大，達到波長變短的目的；(二) 使用量子效應 18-20：將活性層厚度變薄，直到能階變成不連續，使第一階能階不再緊貼著導電帶的最低點及價電帶的最高點，如此會導致電子實際跳躍的能隙寬度變大，也可以達到使波長變短的目的；(三) 將磊晶層長在 GaAs 基板略偏於 (100)的方向上 21-23：由於如此會造成磊晶層能帶變化，使得能隙寬度變寬，所以也能達到波長變短的目的。於1992 年時，室溫下的 AlGaInP 連續波雷射波長，已經可以短至 615 7nm 24。在改良元件性能方面，則可大致分為幾個研究的方向，如：(一) 提高光輸出功率 25-29、(二)降低臨界電流 30-3
43、2、(三) 提高操作溫度上限 33,34、(四) 延長元件使用壽命 35-39等。當人們在不斷改善 AlGaInP 雷射元件性能的同時，有一個問題一直無法徹底克服，那就是雷射輸出光點的形狀。由於主宰發光的活性層在側邊方向為一狹長形，所以射出的雷射光就會因為繞射的影響，呈現直立的橢圓形；如此一來，在掃描、列印、儲存資料或聚焦進光纖時，都會帶來極大的困擾。由於該問題的存在，這才使得後期的研究趨向紛紛轉向面射型雷射的部分。面射型雷射的發展史應該要從 1972 年算起，由 H. Soda 等人做出了第一具能在低溫下操作的 VCSEL 40，其活性層材料為 InGaAsP，雷射波長為 1300 nm，而
44、當時共振腔所使用的反射面為金屬面。於1982 年時，首度由 R. D. Burnham 41設計出在基板上改長多層膜反射層來取代金屬面的結構，此結構的出現不但奠定了今日 VCSEL 結構的雛形，也徹底改善了 LED 基板吸光的問題 42。1992 年，由於長晶技術的成熟，R. P. Schneider 發表了第一具能在室溫下操作的光激發AlGaInP VCSEL 43； 1993 年，K. Tai 製作出能在室溫下利用電激發操作的 AlGaInP 脈衝 VCSEL44；同年，第一具能在室溫下操作的AlGaInP 連續波 VCSEL 誕生 45，由 J. A. Lott 所製作，其多層膜反射層的材料與之前的 AlGaInP VCSEL 相同，皆是使用砷化物中的Al0.5Ga0.5As/AlAs 來設計。8在紅光面射型雷射的部分，除了 1993 年有 K. Tai、J. A. Lott 等人的設計發展之外，集大成的學者應可歸功於 K. D. Choquette 等人在1996 年所發表的一篇論文短波長 AlGaInP 連續波高功率輸出VCSEL 46 ，其發光波長在 652 nm，連續波輸
