InGaAs量子井面射型雷射介紹

由上述InP系列材料面射型雷射發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，要制作全磊晶結(jié)構(gòu)的長波長面射型雷射難度較高，因此在1990年中期開始許多光通訊大廠及研究機(jī)構(gòu)均投入大量資源開發(fā)與砷化鎵基板晶格匹配的主動層發(fā)光材料，希望能在砷化鎵基板上成長晶格匹配的材料或結(jié)構(gòu)，同時獲得發(fā)光波長范圍在1310nm甚至1550nm的較長波段。

一般來說在面射型雷射制作上，反射器之選擇以半導(dǎo)體材料較常用，主要考量有兩點，第一是晶格匹配的問題；第二是導(dǎo)電難易度的問題。采用半導(dǎo)體分布布拉格反射器的原因在于通?；钚詫硬牧闲枰砷L在晶格匹配的基板或磊晶層上，才能有效避免因為晶格不匹配造成的缺陷，導(dǎo)致活性層品質(zhì)劣化。因此一般會在基板或緩沖層上先成長與活性層材料晶格匹配的分布布拉格反射器，而通常選用會導(dǎo)電且品格匹配的半導(dǎo)備才料，例如AlGalnP、GaAs、InGaAs和InGaAsN四種材料分別可以作為紅光（650nm）、近紅外光（850mm）和紅外光（980nm）以及長波長1.3μm面射型雷射的半導(dǎo)體活性層材料，但是卻可以使用相同的碑化鎵/砷化鋁鎵（GaAS/AlGaAs） 系統(tǒng)來制作半導(dǎo)體分布布拉格反射器，因為由圖6-4可以觀察到，這四種活性層材料均與砷化鎵材料系統(tǒng)晶格匹配，因此可以直接利用砷化鎵/砷化鋁鎵材料系統(tǒng)的高折射率差異來制作高品質(zhì)的反射鏡同時還可以具有良好的導(dǎo)電能力，可以避免后續(xù)金屬電極制作的困難，又可以采用高鋁含量AlGaAs作為選擇性氧化電流局限層，獲得更好的面射型雷射操作特性。

利用砷化鎵基板成長AlGaAs/GaAs分布布拉格反射器后繼續(xù)成長晶格匹配的活性層發(fā)光區(qū)，然后可以直接在活性層材料上繼續(xù)進(jìn)行頂部半導(dǎo)體DBR磊晶步驟，稱為單石技術(shù)（Monolithic），好處是磊晶成長過程中不需要將晶片在活性層成長完畢后重新傳送到不同的薄膜蒸鍍設(shè)備沉積介電質(zhì)或金屬反射鏡，可避免晶片污染；另外作為反射器的半導(dǎo)體材料通常其晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)也與活性層材料較為相近，因此可以減低元件在操作時因溫度上升而受熱膨脹不均形成應(yīng)力，甚至造成缺陷而影響雷射操作特性及壽命；而且半導(dǎo)體材料在摻雜之后導(dǎo)電度良好，可以有效傳導(dǎo)電流到活性層以達(dá)成載子數(shù)量反轉(zhuǎn)分布，滿足雷射操作條件，因此目前大多數(shù)量產(chǎn)面射型雷射均采用半導(dǎo)體分布布拉格反射器即基于上述考量。不過有些特殊應(yīng)用在制作高功率面射型雷射元件時，會設(shè)計某一側(cè)的布拉格反射器反射率較低，并且外加一個外部共振腔結(jié)構(gòu)，以期能提高元件輸出功率。

盡管如圖6-4中預(yù)期將InGaAs中的In莫耳分率提高到0.4就可以發(fā)出波長在1.3微米范圍的紅外光，但是實際上這樣高的銦含量使得晶格常數(shù)與砷化鎵基板差異太大，磊晶層超過特定厚度（critical thickness）時容易形成缺陷差排，因此原先預(yù)期需要成長在In0.2Ga0.8As基板上才有可能獲得高品質(zhì)的磊晶層足供導(dǎo)體雷射使用。但是實際上應(yīng)用在作為發(fā)光層結(jié)構(gòu)時，由于量子井厚度一般都在10nm以內(nèi)，因此可以形成高應(yīng)變量子井結(jié)構(gòu)（highly strained quantum well），不至于因為晶格常數(shù)差異過大導(dǎo)致磊晶層破裂或差排形成。瑞典皇家理工學(xué)院J.Malmquist團(tuán)隊在2002年首次在砷化鎵基板上成長Al0.88Ga0.12As/GaAs DBR，發(fā)光區(qū)增益介質(zhì)由1λ共振腔中In0.39Ga0.61As（8.1nm）/GaAs（20nm）/In0.39Ga0.61As（8.1nm）雙重量子井結(jié)構(gòu)所組成，元件可以在室溫下連續(xù)波操作發(fā)光波長為1260nm，并且在85°C時有最低閾值電流1.6mA，最長發(fā)光波長為120°C操作溫度下所測得之1269nm，這個結(jié)果凸顯了與InP系列材料最大的差異在于InGaAs/GaAs具有較高元件操作溫度（因為導(dǎo)帶能隙差異較高因此載子局限效果較好）同時采用砷化鎵基板直接成長高反射率AlGaAs/GaAs DBR還可以利用選擇性氧化局限來獲得更低的閾值電流值，這是InP材料系統(tǒng)所欠缺的優(yōu)勢。