为了应用在光纤通讯上有效提升讯号传输距离,对于发光波长1310nm 与1550nm的面射型雷射需求也相当迫切,传统半导体雷射二极体在长波长红外光雷射大多采用磷化铟系列材料,但是磷化铟系列材料成长雷射二极体结构时经常遭遇到特性温度较低的问题,往往需要额外的主动散热装置来协助雷射二极体维持在恒温状态避免操作特性劣化,主要原因在于磷化铟/磷砷化铟镓系列材料所形成的异质接面结构中导带能障差异较小(△Ec=0.4Eg),与砷化镓系列材料(△Ec=0.7Eg) 相较之下低不少,因此注入电子经常因为元件接面温度上升而获得额外动能因此溢流到活性层外,这个载子溢流(carrieroverflow)现象让元件量子效率变差,注入的载子还没机会在活性区复合形成光子就流失掉,原本获得的能量以热的形式逸散,又进一步提高接面温度,导致恶性循环让雷射操作特性变差,此外活性层中常见的欧杰复合(Auger recombination)也会让元件发光效率低落。
除了载子局限能力较差之外,磷化铟系列材料折射率差异也不显著,如第三章表3-1所示,要获得足够雷射增益所需的DBR 层数高达50对以上,不但会造成较高串联电阻与所需的磊晶成长时间,这么多对掺杂的 DBR也会造成显著的杂质吸收效应,让元件达到雷射增益的条件更加严苛;此外与矽基板或砷化镓基板相较之下,磷化铟基板较昂贵,而且机械特性较差,在磊晶或制程中容易因为受热翘曲或破裂,因此制程良率较低,成本也相对昂贵。
如同第一章所述由Iga 教授团队最早成功制作出来的面射型雷射元件采用 n-InP/undoped GaInAsP/p-InP (n 型磷化铟/ 未掺杂磷砷化铟镓活性层/p型磷化铟)双异质接面结构所组成,发光波长在1.2微米范围(λ=1.18μm)。由于载子局限效果较差且上下反射镜反射率较低,因此元件必须固定在镀金铜座上加强散热效果,即使如此也只能在液态氮冷却下在 77K 以脉冲操作,阈值电流值为900mA,以基板侧阴极直径100μm 计算,雷射操作阈值电流密度为 11kA/cm2,成功验证面射型雷射的可行性是其最重大的贡献。
随后在1993年东京工业大学T.Baba和Iga 教授团队制作出接近室温下连续波操作的 GaInAsP/InP 面射型雷射,与先前成果相较之下主要差异在于发光波长1.37微米的 GaInAsP/InP发光层借由制程方式再成长形成圆形平面埋入式异质结构(circular planarburied heterostructure, CPBH),p侧镜面由8.5 对MgO/Si DBR与 Au/Ni/Au所组成,n侧镜面则由6 对