增益波导说明

其中蚀刻空气柱法将大多数可以导通电流的半导体材料以物理性或化学方式蚀刻移除后，仅保留直径数微米至数十微米的柱状结构可以供电流注入，注入的载子在活性层受到光子激发（stimulation）形成辐射复合 （radiative recombination）后，如果产生的增益大于损耗，就可以发出同调的雷射光。采用这种电流局限方式制作面射型雷射也是延续早期边射型雷射二极体的做法，因此所面临的元件操作特性问题也很类似，首先是如果要降低雷射操作所需的阈值电流（threshold current）大小的话，那么蚀刻剩下的增益区直径（或宽度）尺寸可以尽量愈小愈好，这样可以尽可能在相对较低的注入电流大小情况下就在小区域中形成高注入，可以较快达到载子反转分布并获得雷射输出。

利用制程方式对注入电流进行局限，控制注入电流在很小范围内达到高注入及载子反转分布以获得足够雷射增益的方式称为增益波导（gain-guided），上述四种主要面射型雷射电流局限方法均可提供增益波导的效果，但是依据制程方式的不同，增益波导的效果也会有所差异。以早期所采用蚀刻柱状结构为例，仅仅蚀刻深度的不同就会造成增益波导效果的显著差异。如下图5-2（a）所示，蚀刻深度控制在活性层上方的DBR 处时，由于载子在垂直磊晶面方向运动需要克服 DBR 异质介面（hetero interface）之间因为不同化合物半导体材料组成（例如 Alo.12Gao.88As/Alo.92Ga0.08As）能带差异所造成的能障（energybarrier），而水平方向（与磊晶面平行）的材料为同质（homogeneous）材料，载子在水平方向移动无须克服能障高度，因此在垂直方向的电阻值相对较水平方向高，也因此如果有适当机会的话注入载子倾向于往电阻较低的方向移动，所以如果蚀刻深度停留在活性层上方，而且上方残余的DBR 磊晶层厚度足够，那么大多数注入载子将会水平方向扩散到主要发光区外，甚至溢流到相邻的元件形成漏电流。

以图 5-2（a） 为例，即便注入载子（实线箭头所示为电流注入）在水平方向扩散后仍顺利抵达活性层与电子结合发出光子，但是由于发生辐射复合的区域已经在蚀刻区，上方大多数DBR已经被移除，因此这些产生的光子大多无法获得足够的反射率形成共振并激发更多光子达到雷射增益输出，通常都直接从上方空白箭头所示以自发放射（spontaneous emission）的形式发出，导致要达到雷射操作所需的阈值电流值大幅提高，造成元件操作特性低落。因此一般为了获得更好的电流局限及增益波导效果，会将蚀刻深度控制在稍微穿过活性层的位置，如下图5-2（b）所示。