2.5 雷射二極體之基本操作
2.5.2 雷射二極體之構造
圖 2-9[2.34] 典型邊射型雷射二極體構造
圖 2-9 為一典型邊射(edge emitting)型雷射二極體構造。其中磊晶層 厚度約 3~5μm 左右會成長在厚度約為 350μm 的基板上，最後在鏡面鍍膜 前會將其厚度磨到約 100~120μm 左右。活性層即為 2.3 節所述，作為增益 介質，且為本質(intrinsic)半導體材料。以量子井結構而言，其厚度一般約
Stripe width: 2μm~200μm.
200μm~500μm
400μm~2000μm
100μm~120μm
在 50~150Å 之間。n 及 p 型披覆層(cladding layer)約各為 1~1.5μm 左右。
共振腔(cavity)長度則視元件的輸出功率而定，高功率雷射的共振腔通常都 會設計較長，以利降低元件的熱阻。因此共振腔的長度一般約在設計在 400~2000μm 之間。線條( stripe)或稱脊狀波導(ridge waveguide)的寬度將會 決定模態，若為寬面積的多橫向模雷射二極體，脊狀波導的寬度會使用 30~200μm，而單橫向模雷射二極，則會將脊狀波導的寬度縮小到 2~5μm。
2.5.3 載子與光場侷限
目前的半導體雷射二極體操作皆是採用順向偏壓(forward biased)方式 來驅動並且採用 p-i-n 的雙異質(DH)結構或是量子井(QW)結構。
圖 2-10[2.35]在順向偏壓下的雙異質結構 p-i-n 接面能帶圖
在此以最基本的 p-i-n DH 結構來說明雷射二極體的載子與光侷限原 理。如圖 2-10 所示，一般 p-i-n 的 DH 結構為 p 型掺雜披覆層-本質活性層 -n 型掺雜披覆層，如此可形成所謂的三明治(sandwich)結構，也是最基本 的雙異質結構[2.35]。當施加一個順向偏壓於雷射二極體時，原本處於熱 平衡(thermal equilibrium)狀態的費米能階(fermi level)即 EF，將一分為二，
成為兩個準米能階(quasi fermi level)即 EFC、EFV。此時位能障下降，電子 與電洞分別由披覆層越過而注入到活性層內，且並開始有大量載子注入活 性層而產生自發性輻射，此時為 LED 階段。當順向偏壓持續加大時，使 得 EFC－EFV=Eg時活性層開始達到透明(transparency)狀態，此時的增益(gain) 為大於等於零的狀態，輸出功率變大[2.5]。當順向偏壓加到約 1.5~2V 時，
活性層中的載子變多且大量復合，此時活性層增益持續變大，在 L-I 曲線 中將通過臨界門檻，振盪出雷射光。
除上所述之外，不論是三明治結構的雙異質結構或是量子井結構的另 一個重要特性是在活性層兩旁的披覆層是能隙能量較大的材料，其折射率 (refractive index)較小且比活性層的折射率還要小許多，如此將造成一個在 折射率上的差異(Δn)。而此 Δn 的差異將恰好把光場侷限在折射率較大，
而能階較小的活性層中，如同波導(waveguide)作用[2.5],[2.22],[2.34]。
圖 2-11 [2.34]具有三層波導結構的雷射二極體
圖 2-11 說明了光被侷限在中間折射率較大的活性層區域，當光在如同 波導的結構中運動，光到達界面處時遇到折射率較低的披覆層區域將被反 射與折射回活性層區域。依照斯涅耳定律(snells law)[2.15]可知，當入射光 與異質接面的法線方向夾角大於臨界角(critical angle)時，即為符合 nf‧sinΦ
＞nc之條件，此時光將無法穿透出披覆層，且將一直在活性層區域以全反 射方式來回傳遞。
上述方法可以依靠磊晶結構的設計來完成光侷限作用，通常稱為垂直 波導結構(vertical waveguide structure)[2.34]。要形成此類的侷限結構必須 再配合其他的條件；如材料的選擇，能隙能量的大小、折射率的大小、晶 格匹配等因素皆必須考慮，典型的結構為 AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs，當 調整披覆層的 Al 含量更多時將會使折射率更低，且沒有晶格失配(lattice mismatch)問題。
圖 2-12 則以另一個觀點來表達相同的事情，其中可看出 Δn 的差異狀 況，當活性層折射率和披覆層折射率因有差異而形成波導結構可將光侷限 在活性層區域內。值得注意的是光場超出活性層區域的部分將被視為損 失，只有在中間的活性層區域有增益(gain)。
圖 2-12 折射率分佈與光場分佈關係
若以上圖 2-12 的 d 代表活性層厚度，而 E 為光場強度，則方程式 2-1[2.5],[2.30]表示光強度在活性層中佔所有光強度的比例，此例稱為光學 侷限因素(optical confinement factor)，以Γ 表示。
∫
(lateral waveguide structure)。不同於垂直波導結構是以磊晶層方式完成，而側向波導結構則必須倚靠晶粒製程方式來完成。以折射型波導(index
(a) (b)
圖 2-14[2.36]不同的波導結構對光侷限結果(a)增益型(b)折射型
由於在側向結構上的不同，一般雷射又可區分為增益型波導(gain guided)雷射及折射型波導雷射兩種 。其中增益型波導雷射在垂直部分與折 射型波導雷射無異，但由於在側向結構上的設計不同(如圖 2-14(a))致使側 向的侷限不夠嚴謹，因此有電流擴散現象發生。光強度分佈隨著光增益曲 線來決定，當注入電流由小變大時，此時造成活性層區域內有太多的載子 並產生橫向模態的不穩定而移動，使光增益曲線變形，如此會在光功率曲 線而造成扭結(kink)發生。反之，折射型波導雷射的電流侷限能力比增益 型波導雷射好，如果脊狀波導夠窄則可以有效抑制橫方向光束擴張並抑制 高次橫模發生，因此只有基本模態存在[2.30],[2.32]。目前大部分市面上的 雷射絕大部分皆為折射型波導雷射。本論文亦採用折射型波導結構設計為 實驗之結構。圖 2-14 (a)為增益型波導雷射，如前所述側向的侷限不夠嚴 謹，因此有電流擴散現象發生使光分佈區域較寬。(b)為折射型波導雷射，
如前所述化學蝕刻到 p 披覆層為止，電流路徑由脊狀波導注入至活性區 內，由於注入電流區域較小而使光分佈區域隨之變較窄。