第二章 半導體量子點雷射
2.2 啁啾式堆疊量子點雷射
(2.1-10)
為飽和增益， 為透明電流密度， 為自聚式量子點成長時大小維度變化的非理想 因子(non-ideality factor)。
圖 2-2 理想與實際量子點的光增益隨注入電流變化關係
2.2 啁啾式堆疊量子點雷射
[37]近年來，隨著量子點結構的發展，量子點半導體雷射已逐漸地應用於外腔式結構以 做為單模操作且具窄線寬的可調光源。與量子井相比，由於量子點其本身較低的能態密 度因此量子點雷射擁有較低的臨界電流密度，使之在應用上為一個很大的優勢；另外，
由於均勻與非均勻增寬效應，量子點雷射的發光頻譜也較為寬廣，因此連續調變非常寬 波段的外腔式雷射變得可行，以上兩大特點使得量子點雷射應用在波長可調外腔式雷射 的波長調制範圍得以變得寬廣，並同時享有極低的臨界電流密度。
2.2.1 磊晶結構
本實驗選擇的半導體量子點雷射是以自聚式成長量子點為主動區，由於量子點的大 小形狀以及成分組成呈現相當寬廣的分佈，加上量子點本身的密度亦受到成長條件的限 制而相當有限，因此以量子點作為半導體雷射的增益介質，其材料增益偏離理論的預測 而呈現相當低的飽和增益，故堆疊多層量子點來提高元件操作時所需要的光模態增益，
而雖然量子點主動區的飽和增益相當有限，但其增益頻譜卻相當的寬廣，為了充分運用
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這一特點於可調外腔式雷射上，使可調制的波長更為寬廣，因此選定三種量子點的中心 波長，每一中心波長的量子點堆疊數層，以確保特定量子點波長的基態飽和增益是足夠 的，並利用改變覆蓋於量子點上方之覆蓋層的厚度，來調變各層量子點的中心發光波長，
此種方式稱之為啁啾式堆疊量子點雷射 (chirped-multilayer quantum dot laser diode, CMQD LD)。
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最 後 將 晶 片 背 面 磨 薄 至 約 ， 再 用 離 子 腔 蒸 鍍 系 統 在 背 面 鍍 上 型 金 屬 ，並藉由快速熱退火(RTA)使金屬與 表面形成歐姆接觸(ohmic contact) 以降低電阻，從脊狀波導的垂直方向以自然劈裂的方式，將晶片劈裂開來形成雷射的鏡 面(as-cleaved mirror)，即完成脊狀波導的邊射型雷射，而在表面作金的電鍍，使注入脊 狀波導雷射的電流可均勻的擴散開來。圖 2-4為脊狀波導雷射的 SEM 橫剖面圖，圖中 雷射表面的球狀物則為電鍍的金。
圖 2-4 實驗所用脊狀波導雷射的 SEM 剖面圖
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2.3 雷射基本特性量測
實驗所用的啁啾式堆疊量子點雷射，其基本特性在[38]中已有詳細的量測，本節就 接下來外腔式雷射會需要的重要特性，再次說明。
2.3.1 光激發螢光頻譜量測
啁啾式堆疊的量子點，根據不同覆蓋層的厚度，來控制量子點的發光波段，而發光 波長可由光激發螢光(PL)頻譜量測得知，如圖 2-5所示，三種不同發光波段 、 、 所對應的基態發光波長峰值分別約為 、 、 ；而第一激 發態發光波長峰值分別約為 、 、 ，所以用此方式成長的量 子點作為主動層，能提供夠寬廣的發光頻譜，有利於大範圍波長的外腔式調制。
圖 2-5 不同覆蓋層厚度對室溫下 PL 的基態與激發態峰值對應圖
2.3.2 劈裂鏡面雷射電性/光性量測
為了萃取雷射的基本特性，使用脊狀波導雷射，共振腔長度為 、 、 、 、 共五種長度，寬度皆為 ，圖 2-6 為室溫下的 L-I 曲線圖、圖 2-7為各長度雷射在臨界電流下的發光頻譜，從圖 2-7中可以得知，共振腔長 以 上的雷射，其發光波長皆在 附近；而共振腔長為 的雷射，發光波長 落在 附近，比較圖 2-5的量測結果，可發現雷射發光大多由 所貢獻。
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圖 2-6 室溫下量測各種共振腔長 CMQD LD 的 L-I-V 特性圖
圖 2-7 室溫下量測各種共振腔長 CMQD LD 的在臨界電流附近的光譜圖
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2.3.3 鍍膜鏡面雷射電性/光性量測
為了增加外腔式雷射的波長調制範圍，在一端鏡面作抗反射鍍膜，其反射率頻譜如 圖 2-8所示，在波長 到 範圍內反射率皆小於 ；而為使整體鏡面耗 損不要過大，在另一端鏡面作高反射 DBR 鍍膜，其反射率頻譜如圖 2-9 所示，在波長 到 範圍內反射率皆達 以上。
圖 2-8 AR 鍍膜反射率頻譜圖
圖 2-9 HR 鍍膜反射率頻譜圖
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而鍍膜後因為鏡面耗損的改變，雷射的臨界電流也會因此改變，圖 2-10 為鍍膜後 AR 端鏡面的 L-I-V 曲線圖，雷射腔長為 、 、 所對應的臨界 電流密度分別約為 ( )、 ( )、 ( )，
與鍍膜前的圖 2-6比較後，可發現鍍膜後臨界電流密度大幅上升。
圖 2-10 雷射鍍膜後 AR 端鏡面的 L-I-V 曲線圖
由於鍍膜後電流密度的上升，雷射光的發光頻譜勢必也會跟著改變，圖 2-11 為雷 射腔長為 ，鍍膜前與鍍膜後，操作在臨界電流密度時的光譜圖，由圖上可以看 出，因為注入電流密度的提升，雷射光由鍍膜前的基態發光( )，變為鍍膜後的 第一激發態發光( )。
圖 2-11 鍍膜前後操作在臨界電流時的雷射光譜圖
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