InGaAs量子井面射型雷射介绍

由上述InP系列材料面射型雷射发展可以发现，要制作全磊晶结构的长波长面射型雷射难度较高，因此在1990年中期开始许多光通讯大厂及研究机构均投入大量资源开发与砷化镓基板晶格匹配的主动层发光材料，希望能在砷化镓基板上成长晶格匹配的材料或结构，同时获得发光波长范围在1310nm甚至1550nm的较长波段。

一般来说在面射型雷射制作上，反射器之选择以半导体材料较常用，主要考量有两点，第一是晶格匹配的问题；第二是导电难易度的问题。采用半导体分布布拉格反射器的原因在于通常活性层材料需要成长在晶格匹配的基板或磊晶层上，才能有效避免因为晶格不匹配造成的缺陷，导致活性层品质劣化。因此一般会在基板或缓冲层上先成长与活性层材料晶格匹配的分布布拉格反射器，而通常选用会导电且品格匹配的半导备才料，例如AlGalnP、GaAs、InGaAs和InGaAsN四种材料分别可以作为红光（650nm）、近红外光（850mm）和红外光（980nm）以及长波长1.3μm面射型雷射的半导体活性层材料，但是却可以使用相同的碑化镓/砷化铝镓（GaAS/AlGaAs） 系统来制作半导体分布布拉格反射器，因为由图6-4可以观察到，这四种活性层材料均与砷化镓材料系统晶格匹配，因此可以直接利用砷化镓/砷化铝镓材料系统的高折射率差异来制作高品质的反射镜同时还可以具有良好的导电能力，可以避免后续金属电极制作的困难，又可以采用高铝含量AlGaAs作为选择性氧化电流局限层，获得更好的面射型雷射操作特性。

利用砷化镓基板成长AlGaAs/GaAs分布布拉格反射器后继续成长晶格匹配的活性层发光区，然后可以直接在活性层材料上继续进行顶部半导体DBR磊晶步骤，称为单石技术（Monolithic），好处是磊晶成长过程中不需要将晶片在活性层成长完毕后重新传送到不同的薄膜蒸镀设备沉积介电质或金属反射镜，可避免晶片污染；另外作为反射器的半导体材料通常其晶格常数与热膨胀系数也与活性层材料较为相近，因此可以减低元件在操作时因温度上升而受热膨胀不均形成应力，甚至造成缺陷而影响雷射操作特性及寿命；而且半导体材料在掺杂之后导电度良好，可以有效传导电流到活性层以达成载子数量反转分布，满足雷射操作条件，因此目前大多数量产面射型雷射均采用半导体分布布拉格反射器即基于上述考量。不过有些特殊应用在制作高功率面射型雷射元件时，会设计某一侧的布拉格反射器反射率较低，并且外加一个外部共振腔结构，以期能提高元件输出功率。

尽管如图6-4中预期将InGaAs中的In莫耳分率提高到0.4就可以发出波长在1.3微米范围的红外光，但是实际上这样高的铟含量使得晶格常数与砷化镓基板差异太大，磊晶层超过特定厚度（critical thickness）时容易形成缺陷差排，因此原先预期需要成长在In0.2Ga0.8As基板上才有可能获得高品质的磊晶层足供导体雷射使用。但是实际上应用在作为发光层结构时，由于量子井厚度一般都在10nm以内，因此可以形成高应变量子井结构（highly strained quantum well），不至于因为晶格常数差异过大导致磊晶层破裂或差排形成。瑞典皇家理工学院J.Malmquist团队在2002年首次在砷化镓基板上成长Al0.88Ga0.12As/GaAs DBR，发光区增益介质由1λ共振腔中In0.39Ga0.61As（8.1nm）/GaAs（20nm）/In0.39Ga0.61As（8.1nm）双重量子井结构所组成，元件可以在室温下连续波操作发光波长为1260nm，并且在85°C时有最低阈值电流1.6mA，最长发光波长为120°C操作温度下所测得之1269nm，这个结果凸显了与InP系列材料最大的差异在于InGaAs/GaAs具有较高元件操作温度（因为导带能隙差异较高因此载子局限效果较好）同时采用砷化镓基板直接成长高反射率AlGaAs/GaAs DBR还可以利用选择性氧化局限来获得更低的阈值电流值，这是InP材料系统所欠缺的优势。