增益波導(dǎo)說明

其中蝕刻空氣柱法將大多數(shù)可以導(dǎo)通電流的半導(dǎo)體材料以物理性或化學(xué)方式蝕刻移除后，僅保留直徑數(shù)微米至數(shù)十微米的柱狀結(jié)構(gòu)可以供電流注入，注入的載子在活性層受到光子激發(fā)（stimulation）形成輻射復(fù)合 （radiative recombination）后，如果產(chǎn)生的增益大于損耗，就可以發(fā)出同調(diào)的雷射光。采用這種電流局限方式制作面射型雷射也是延續(xù)早期邊射型雷射二極體的做法，因此所面臨的元件操作特性問題也很類似，首先是如果要降低雷射操作所需的閾值電流（threshold current）大小的話，那么蝕刻剩下的增益區(qū)直徑（或?qū)挾龋┏叽缈梢员M量愈小愈好，這樣可以盡可能在相對較低的注入電流大小情況下就在小區(qū)域中形成高注入，可以較快達(dá)到載子反轉(zhuǎn)分布并獲得雷射輸出。

利用制程方式對注入電流進(jìn)行局限，控制注入電流在很小范圍內(nèi)達(dá)到高注入及載子反轉(zhuǎn)分布以獲得足夠雷射增益的方式稱為增益波導(dǎo)（gain-guided），上述四種主要面射型雷射電流局限方法均可提供增益波導(dǎo)的效果，但是依據(jù)制程方式的不同，增益波導(dǎo)的效果也會有所差異。以早期所采用蝕刻柱狀結(jié)構(gòu)為例，僅僅蝕刻深度的不同就會造成增益波導(dǎo)效果的顯著差異。如下圖5-2（a）所示，蝕刻深度控制在活性層上方的DBR處時，由于載子在垂直磊晶面方向運動需要克服DBR異質(zhì)介面（hetero interface）之間因為不同化合物半導(dǎo)體材料組成（例如Alo.12Gao.88As/Alo.92Ga0.08As）能帶差異所造成的能障（energybarrier），而水平方向（與磊晶面平行）的材料為同質(zhì)（homogeneous）材料，載子在水平方向移動無須克服能障高度，因此在垂直方向的電阻值相對較水平方向高，也因此如果有適當(dāng)機會的話注入載子傾向于往電阻較低的方向移動，所以如果蝕刻深度停留在活性層上方，而且上方殘余的DBR磊晶層厚度足夠，那么大多數(shù)注入載子將會水平方向擴(kuò)散到主要發(fā)光區(qū)外，甚至溢流到相鄰的元件形成漏電流。

以圖5-2（a） 為例，即便注入載子（實線箭頭所示為電流注入）在水平方向擴(kuò)散后仍順利抵達(dá)活性層與電子結(jié)合發(fā)出光子，但是由于發(fā)生輻射復(fù)合的區(qū)域已經(jīng)在蝕刻區(qū)，上方大多數(shù)DBR已經(jīng)被移除，因此這些產(chǎn)生的光子大多無法獲得足夠的反射率形成共振并激發(fā)更多光子達(dá)到雷射增益輸出，通常都直接從上方空白箭頭所示以自發(fā)放射（spontaneous emission）的形式發(fā)出，導(dǎo)致要達(dá)到雷射操作所需的閾值電流值大幅提高，造成元件操作特性低落。因此一般為了獲得更好的電流局限及增益波導(dǎo)效果，會將蝕刻深度控制在稍微穿過活性層的位置，如下圖5-2（b）所示。