雷射二極體的種類

目標大部分的半導體雷射皆以量子井雷射為主，包括有應變量子井及

無應變量子井兩種。而 DH 型雷射(如圖 2-1)因效率較差則已非常少用或僅 使用在特殊用途，因此僅介紹量子井雷射部份。當活性層的厚度減到和德 布羅依(De Broglie)波長相近時，將有量子化的特徵出現。以電子般大小的 粒子而言，電子的速度約為 10⁷ cm/sec，而電子的德布羅依波長則約為 100Å 以下[2.1],[2.16],[2.37]。

圖 2-15 單一量子井分開侷限異質結構

由於電子的物質波約為 100Å 以下，而電子電洞在同質結構中的距離 約為 10000Å，大約為 100 倍的物質波長，所以電子與電洞轉成光子的效 率很差。而 DH 型雷射也只能達到 20%效率，在單量子井結構中所有電子 電洞都被侷限在狹窄的 50-100 Å 量子井內，空間上幾乎可以完全重疊，

因此約可達到 60%光電量子轉換效率[2.27]。

圖 2-15 為一種典型的量子井雷射，稱為單一量子井分開侷限異質結 構(single quantum well-separate confinement heterostructure,SQW-SCH)雷 射。在此回顧 2.5.3 節內容，DH 型雷射(如圖 2-10)的載子與光侷限只依靠 活性層完成。而對 SCH 型的雷射而言，光的侷限可由披覆層完成並在 SCH 區域內且只有量子井部分有增益(上圖中灰色部分)。另外載子的侷限則由 量子井中的能階(energy level)來達成。不同的是，在量子井中的能階是個

別的(discrete)且固定，而 DH 的能階則為連續的[2.27],[2.32],[2.34]。

塊材(bulk)雷射因在結構上沒有任何的侷限，使得電子運動自由度為 3D 方向，其狀態密度(density of State,DOS )和電子能量成 E^1/2的正比關 係，此結果表示能量越大其狀態密度越高。量子井雷射結構則因其能階量 子化而造成電子運動被限制使得自由度變成只有 2D 方向，而使得其狀態 密度和電子能量成 E⁰的正比關係，也就是 DOS 成為定值和能量變化無 關，然而實際上在量子井中可能允許好幾個能階的存在，也使得 DOS 呈 現階梯狀(steplike)並且隨能量增大而變大。如和 bulk 雷射比較，由於量子 井結構中的 DOS 較小，因此若在相同的載子濃度注入的條件下，量子井 結構中的費米能階會增加快速，如此也造成導電帶與價電帶的準費米能階 之間的能量差會迅速增加。然而較快速的費米能階移動將有助於增益係數 隨著注入載子濃度的增加而迅速增加。所以當有電流注入時，不需要比塊 材半導體雷射多的載子濃度即可達到臨界增益。因此減少需要的載子濃度 即可得到分布反轉條件，因此使用量子井結構可以獲得比 bulk、DH 型等 雷射更低的臨界電流值[2.5],[2.32],[2.38]。

使用量子井結構另一個好處是可以很容易調整雷射波長，因量子井中 的能階是個別的且固定，當量子井厚度減小時能獲得更大的量子能階能 量，因此只要在磊晶成長時變化量子井厚度即可調整波長。而 bulk、DH 型等雷射因能階沒有量子化，其能階為連續的較不易由調整活性層厚度方 式能得到不同的波長變化，在元件的設計自由度不佳，故目前幾乎市面上 所有的半數雷射皆為量子井雷射。

SQW-SCH 雷射的結構之橫截面積比較小，所以載子的捕捉效率也比 較差。因為載子必須先經歷非彈性散射(inelastic scattering)過程而失去能量 掉進入量子井內，但當橫截面積很小時會使有些尚未失去動能的載子或在 量子井中因熱而重新獲得動能載子有機會橫跨過或跳離出量子井而造成 電流外溢(electron overflow)的漏電流等的現象發生[2.27],[2,37],[2.39]。

以 SCH 為結構設計的雷射，目前多以多重量子井分開侷限異質結構 (multiple quantum well-separate confinement heterostructure,MQW-SCH)為 主，因為使用 MQW 可以有效減少漏電流發生。因此本論文中的雷射結構

設計也是採用 MQW-SCH。

若要以 SQW 作為結構設計的雷射，目前比較多被人採用的是一種被 稱為單一量子井漸變折射分開侷限異質結構(single quantum well-graded index separate confinement heterostructure,SQW-GRINSCH)。

如圖 2-16 所示這種結構的優點是在於如漏斗狀(funnellike)的設計，載 子將分別進入這漏斗狀區域後將失去動能量而再掉入量子井中後復合發 光。因此這種結構的載子捕捉的機率非常高，使得臨界電流密度(threshold current density)值比 SQW-SCH 及 MQW-SCH 都還要低[2.37]。另外值得一 提的是此種結構也有使用多量子井(MQW-GRINSCH)的設計[2.40]。

圖 2-16 單一量子井漸變折射分開侷限異質結構