半导体材料被蚀刻移除后,剩余的柱状结构与周遭的空气之间折射率差异也因此增加,因此在柱状结构中电子电洞对辐射复合产生的光子有机会因为半导体材料与空气介面处折射率差异形成的全反射而被局限在柱状结构中,因此这个蚀刻桂状结构同时也提供了折射率波导(index-guided)的效果,也就是说除了对注入载子可以形成电流局限的增益波导效果以外,同时对于产生的光子也可以提供折射率波导的光学局限(optical confinement)作用,有助于提高半导体雷射操作特性。
但是蚀刻柱状结构直径减少的情况也会让注入载子与所产生的光子接触到蚀刻侧面的机率增加,而通常这些蚀刻后的表面无可避免的会残留一些缺陷,特别是采用物理性蚀刻制程中高能量粒子轰击很容易造成蚀刻表面的晶格缺陷损伤,这些缺陷通常会扮演非辐射复合中心 (non-radiative recombination center)的角色,造成注入电子电洞对复合后不以光子形式释放能量转而以热或晶格振动等形式发出来,如此对于提供光子增益并无贡献,因此在制作蚀刻空气柱状结构面射型雷射时,蚀刻深度的选择非常重要,如果蚀刻停留在活性层上方,好处是可以避免蚀刻表面缺陷在活性层周围形成非辐射复合中心,提高内部量子效率;缺点则是注入电流容易横向扩散到发光区外侧,电流局限效果较差,所需的雷射操作阈值电流(threshold current)大小较高。蚀刻深度穿过活性层的元件刚好相反,优点是具有较佳的电流局限效果,同时具有增益波导和折射率波导效果;缺点则是活性层周围蚀刻表面缺陷会造成非辐射复合中心,导致表面复合,如图5-2(b)所示,降低注入电子电洞对有效形成光子的机率,也就是内部量子效率(internal quantum efficiency, IQE)会因而降低,在设计元件制程时需要加以考量。
一般在制作半导体雷射时都会注意降低道些表面觖陷形成的非辐射复合效应:所以蚀刻制程所保留可以导通电流提供增益的区域尺寸一般不会太小,除了要避免上述非辐射复合问题之外,小于数微米约尺寸也会让后续元件金属电极制作、打线封装或者探针点训相当困难,同时绕射 (difftracion) 及散射损耗 (scaltering 1oss)也会更加显著。另一方面蚀刻尺寸也不能太大,若雷射二极体将金区直径或宽度大于一百微米,则元件结构所能提供的电流局限效果变差,注入电流会扩散到更大范围的区域,导致元件达到雷射增益所需的阈值电流大小相当高,甚或无法在室温条件下达到雷射操作,因此一般大多只用在验证雷射二极体磊晶片品质与发光波长是否符合设计需求,或者为了获得较高输出功率,快速制作大面积(