其中蝕刻空氣柱法將大多數可以導通電流的半導體材料以物理性或化學方式蝕刻移除后,僅保留直徑數微米至數十微米的柱狀結構可以供電流注入,注入的載子在活性層受到光子激發(stimulation)形成輻射復合 (radiative recombination)后,如果產生的增益大于損耗,就可以發出同調的雷射光。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直徑(或寬度)尺寸可以盡量愈小愈好,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域中形成高注入,可以較快達到載子反轉分布并獲得雷射輸出。
利用制程方式對注入電流進行局限,控制注入電流在很小范圍內達到高注入及載子反轉分布以獲得足夠雷射增益的方式稱為增益波導(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的效果,但是依據制程方式的不同,增益波導的效果也會有所差異。以早期所采用蝕刻柱狀結構為例,僅僅蝕刻深度的不同就會造成增益波導效果的顯著差異。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異質介面(hetero interface)之間因為不同化合物半導體材料組成(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(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,那么大多數注入載子將會水平方向擴散到主要發光區外,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)在水平方向擴散后仍順利抵達活性層與電子結合發出光子,但是由于發生輻射復合的區域已經在蝕刻區,上方大多數DBR已經被移除,因此這些產生的光子大多無法獲得足夠的反射率形成共振并激發更多光子達到雷射增益輸出,通常都直接從上方空白箭頭所示以自發放射(spontaneous emission)的形式發出,導致要達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。
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原文標題:增益波導
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