為了應(yīng)用在光纖通訊上有效提升訊號(hào)傳輸距離，對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)1310nm與1550nm的面射型雷射需求也相當(dāng)迫切，傳統(tǒng)半導(dǎo)體雷射二極體在長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光雷射大多采用磷化銦系列材料，但是磷化銦系列材料成長(zhǎng)雷射二極體結(jié)構(gòu)時(shí)經(jīng)常遭遇到特性溫度較低的問(wèn)題，往往需要額外的主動(dòng)散熱裝置來(lái)協(xié)助雷射二極體維持在恒溫狀態(tài)避免操作特性劣化，主要原因在于磷化銦/磷砷化銦鎵系列材料所形成的異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)中導(dǎo)帶能障差異較小（△Ec=0.4Eg），與砷化鎵系列材料（△Ec=0.7Eg） 相較之下低不少，因此注入電子經(jīng)常因?yàn)樵用鏈囟壬仙@得額外動(dòng)能因此溢流到活性層外，這個(gè)載子溢流（carrieroverflow）現(xiàn)象讓元件量子效率變差，注入的載子還沒(méi)機(jī)會(huì)在活性區(qū)復(fù)合形成光子就流失掉，原本獲得的能量以熱的形式逸散，又進(jìn)一步提高接面溫度，導(dǎo)致惡性循環(huán)讓雷射操作特性變差，此外活性層中常見(jiàn)的歐杰復(fù)合（Auger recombination）也會(huì)讓元件發(fā)光效率低落，如圖6-2所示。

除了載子局限能力較差之外，磷化銦系列材料折射率差異也不顯著，如第三章表3-1所示，要獲得足夠雷射增益所需的DBR層數(shù)高達(dá)50對(duì)以上，不但會(huì)造成較高串聯(lián)電阻與所需的磊晶成長(zhǎng)時(shí)間，這么多對(duì)摻雜的DBR也會(huì)造成顯著的雜質(zhì)吸收效應(yīng)，讓元件達(dá)到雷射增益的條件更加嚴(yán)苛；此外與矽基板或砷化鎵基板相較之下，磷化銦基板較昂貴，而且機(jī)械特性較差，在磊晶或制程中容易因?yàn)槭軣崧N曲或破裂，因此制程良率較低，成本也相對(duì)昂貴。

如同第一章所述由Iga教授團(tuán)隊(duì)最早成功制作出來(lái)的面射型雷射元件采用n-InP/undoped GaInAsP/p-InP（n型磷化銦/未摻雜磷砷化銦鎵活性層/p型磷化銦）雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)所組成，發(fā)光波長(zhǎng)在1.2微米范圍（λ=1.18μm）。由于載子局限效果較差且上下反射鏡反射率較低，因此元件必須固定在鍍金銅座上加強(qiáng)散熱效果，即使如此也只能在液態(tài)氮冷卻下在77K以脈沖操作，閾值電流值為900mA，以基板側(cè)陰極直徑100μm計(jì)算，雷射操作閾值電流密度為11kA/cm2，成功驗(yàn)證面射型雷射的可行性是其最重大的貢獻(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)采用液相磊晶LPE法成長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)與元件示意圖如下圖6-3所示。

隨后在1993年?yáng)|京工業(yè)大學(xué)T.Baba和Iga教授團(tuán)隊(duì)制作出接近室溫下連續(xù)波操作的GaInAsP/InP面射型雷射，與先前成果相較之下主要差異在于發(fā)光波長(zhǎng)1.37微米的GaInAsP/InP發(fā)光層借由制程方式再成長(zhǎng)形成圓形平面埋入式異質(zhì)結(jié)構(gòu)（circular planarburied heterostructure, CPBH），p側(cè)鏡面由8.5對(duì)MgO/Si DBR與Au/Ni/Au所組成，n側(cè)鏡面則由6對(duì)SiO2/Si介電質(zhì)DBR構(gòu)成。元件p側(cè)采用鎵焊料（Ga solder）貼合到鍍金的鉆石導(dǎo)熱板，借助于MgO/Si較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)以及散熱片來(lái)移除元件電激發(fā)光操作過(guò)程中產(chǎn)生的熱，使元件可以在接近室溫環(huán)境下連續(xù)波操作。在77K溫度下元件可以連續(xù)波操作且大多數(shù)元件閾值電流值約為10mA，最低可達(dá)0.42mA。在20°C下可以脈沖電激發(fā)光操作，閾值電流為18mA。最高可以維持連續(xù)波操作的溫度為14°C，此時(shí)閾值電流值為22mA，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為4.2°。直到在1995年加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校胡玲院士團(tuán)隊(duì)在GaAs基板上以MBE分別成長(zhǎng)28對(duì)n型AIAs/GaAs DBR，另外成長(zhǎng)30對(duì)p型Al0.67Ga0.33As-GaAS DBR，再與MOVPE成長(zhǎng)的7層應(yīng)變補(bǔ)償InGaAsP量子井發(fā)光層在630°C下通氫氣持溫20分鐘進(jìn)行第一次晶片貼合，移除InP基板后再與n型DBR進(jìn)行第二次晶片貼合。由于采用應(yīng)變補(bǔ)償InGaAsP量子井結(jié)構(gòu)，與原先的雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)相較之下可以稍微改善載子溢流問(wèn)題，因此所制作的元件首次成功在室溫下電激發(fā)光連續(xù)波操作，最低臨界電流為2.3mA，發(fā)光波長(zhǎng)1542nm，符合玻璃光纖最低損耗的波段，但是砷化鎵材料與磷化銦材料熱膨脹系數(shù)差異顯著，在高溫環(huán)境或長(zhǎng)時(shí)間操作下元件壽命與可靠度可能有疑慮。

由上述例子可以發(fā)現(xiàn)早期由于材料特性限制，能帶寬度符合1310nm和1550nm發(fā)光波長(zhǎng)（大約0.95~0.78eV）的化合物半導(dǎo)體材料大多為磷化銦系列材料，如圖6-4所示，通常應(yīng)用在長(zhǎng)波長(zhǎng)1310nm和1550nm波段的半導(dǎo)體雷射主動(dòng)發(fā)光區(qū)的材料為磷砷化銦鎵（InGaAsP）與磷化銦組成的材料系統(tǒng)，因此所采用的基板也以晶格常數(shù)相匹配（lattice match）的InP為主。但是由于InP系列材料折射率差異較小，因此早期元件大多采用部分磊晶成長(zhǎng)n型DBR結(jié)合高反射率金屬與介電質(zhì)DBR（因?yàn)閜型摻雜InP DBR電阻相當(dāng)高）；或者借由晶片貼合方式借助AIGaAs/GaAs高反射率DBR才能達(dá)到雷射增益條件，這樣的元件制程相當(dāng)復(fù)雜良率也較低。

由圖6-4中可以觀察到一個(gè)大致的趨勢(shì)，通常能隙愈小的III-V族化合物半導(dǎo)體其晶格常數(shù)會(huì)愈大；相反的能隙愈大的III-V族化合物半導(dǎo)體其晶格常數(shù)愈小，比較特殊的例外是GaN1-xAsx這個(gè)材料，會(huì)在稍后另外介紹。從圖6-4中可以發(fā)現(xiàn)除了InP以外，還有一些材料組合借由調(diào)整成分元素莫耳分率后其晶格常數(shù)也有機(jī)會(huì)和InP相匹配，包括AlInAs、GaAsSb、InGaAs、AIAsSb、AIGaAsSb其他還有較不常見(jiàn)且與InP基板晶格不匹配約4%的AlGaSb，當(dāng)然還有最常見(jiàn)的GalnAsP。因此除了InGaAsP/InP以外，AlInGaAs/InP和AlInGaAs/AlInAs也被用來(lái)作為InP基板成長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)面射型雷射的發(fā)光層增益材料，其中InP基板成長(zhǎng)InGaAIAs/IAIAs全磊晶DBR夾著中央3/2λ的InGaAlAs活性層面射型雷射可以在55°C溫度下還能脈沖操作，并在2006年時(shí)由韓國(guó)電子通信研究院團(tuán)隊(duì)獲得連續(xù)波操作溫度達(dá)80°C的成果，不過(guò)采用這個(gè)材料系統(tǒng)雖然可以改善導(dǎo)帶能隙差異所造成的載子溢流問(wèn)題，但是同樣的要成長(zhǎng)高對(duì)數(shù)的DBR仍然會(huì)造成元件串聯(lián)電阻太高，特別是p-型DBR由于價(jià)帶能帶差異較大注入電洞需要更高能量才能順利克服這么多對(duì)的異質(zhì)接面所形成的能障，因此InP基板成長(zhǎng)的全磊晶結(jié)構(gòu)普遍遭遇p-型DBR電阻過(guò)大問(wèn)題，導(dǎo)致注入電流造成元件溫度上升更進(jìn)一步造成發(fā)光特性劣化，因此前述部分團(tuán)隊(duì)就采用穿隧接面（tunnel junction，又稱(chēng)為Esakijunction，以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體穿隧效應(yīng)獲頒1973年諾貝爾物理獎(jiǎng)的江崎玲于奈Leo Esaki命名）以及共振腔間電極接觸 （intracavity contact） 等磊晶和制程方式克服p型DBR電阻過(guò)高或摻雜DBR造成雜質(zhì)吸收的不利因素，這些方法對(duì)磊晶和制程技術(shù)要求非常嚴(yán)苛，因而提高制程復(fù)雜度且降低良率。

綜合以上所述，采用與InP基板晶格匹配的化合物半導(dǎo)體成長(zhǎng)全磊晶結(jié)構(gòu)的面射型雷射，由于大多數(shù)晶格匹配的材料折射率差異較小，因此所需要的分布布拉格反射器對(duì)數(shù)也會(huì)非常多，而且由于發(fā)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此整體結(jié)構(gòu)磊晶厚度會(huì)相當(dāng)厚，不僅成長(zhǎng)耗時(shí)而且材料成本也會(huì)相對(duì)提高，此外磷化銦基板較昂貴，機(jī)械強(qiáng)度也較脆弱，同時(shí)所制作的雷射元件高溫操作特性較差，經(jīng)常需要主動(dòng)散熱冷卻裝置以確保雷射輸出特性不會(huì)劣化，所以也無(wú)可避免的增加許多成本，因此在1990年代中期開(kāi)始就有許多研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而尋求其他與砷化鎵基板晶格匹配且能隙大小符合1310~1550nm波長(zhǎng)范圍的活性層材料。