半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器，又稱半導(dǎo)體激光二極管（LD），是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種激光器。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)有幾十種，例如砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）等，激勵(lì)方式主要有電注入式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式三種。半導(dǎo)體激光器從最初的低溫（77K）下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫下連續(xù)工作；從同質(zhì)結(jié)發(fā)展成單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱（單、多量子阱）等多種形式。半導(dǎo)體激光器因其波長(zhǎng)的擴(kuò)展、高功率激光陣列的出現(xiàn)以及可兼容的光纖導(dǎo)光和激光能量參數(shù)微機(jī)控制的出現(xiàn)而迅速發(fā)展。

半導(dǎo)體激光器的體積小、重量輕、成本低、波長(zhǎng)可選擇，其應(yīng)用遍布臨床、加工制造、軍事，其中尤以大功率半導(dǎo)體激光器方面取得的進(jìn)展最為突出。

半導(dǎo)體激光器的工作原理

激光產(chǎn)生原理

半導(dǎo)體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個(gè)基本條件：

（1）增益條件：建立起激射媒質(zhì)（有源區(qū)）內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級(jí)所組成的能帶，因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個(gè)能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)。將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去。當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

（2）要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。對(duì)F—p腔（法布里一珀羅腔）半導(dǎo)體激光器可以很方便地利用晶體的與P—n結(jié)平面相垂直的自然解理面一面構(gòu)成F—P腔。

（3）為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng)。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閥值時(shí)，具有特定波長(zhǎng)的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。

可見(jiàn)在半導(dǎo)體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發(fā)射和光放大過(guò)程。對(duì)于新型半導(dǎo)體激光器而言，人們目前公認(rèn)量子阱是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的根本動(dòng)力。量子線和量子點(diǎn)能否充分利用量子效應(yīng)的課題已延至本世紀(jì)，科學(xué)家們已嘗試用自組織結(jié)構(gòu)在各種材料中制作量子點(diǎn)，而GaInN量子點(diǎn)已用于半導(dǎo)體激光器。另外，科學(xué)家也已經(jīng)做出了另一類受激輻射過(guò)程的量子級(jí)聯(lián)激光器，這種受激輻射基于從半導(dǎo)體導(dǎo)帶的一個(gè)次能級(jí)到同一能帶更低一級(jí)狀態(tài)的躍遷，由于只有導(dǎo)帶中的電子參與這種過(guò)程，因此它是單極性器件。

半導(dǎo)體激光器的工作特性

1）閾值電流

當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時(shí)，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時(shí)，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個(gè)因素：

（1）晶體的摻雜濃度越大，閾值越小。

（2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。

（3）與半導(dǎo)體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2?，F(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器。

（4）溫度愈高，閾值越高。100K以上，閾值隨T的三次方增加。因此，半導(dǎo)體激光器最好在低溫和室溫下工作。

2）方向性

由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達(dá)20°-30°；在結(jié)的水平面內(nèi)約為10°左右。

3）效率

量子效率 η＝每秒發(fā)射的光子數(shù)／每秒到達(dá)結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)數(shù)77K時(shí)，GaAs激光器量子效率達(dá)70％－80％；300K時(shí)，降到30％左右。 功率效率η1＝輻射的光功率／加在激光器上的電功率由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時(shí)的η1最高10％，只有在低溫下才能達(dá)到30％－40％。

4）光譜特性

由于半導(dǎo)體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復(fù)合輻射發(fā)生在能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，所以激光線寬較寬，GaAs激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見(jiàn)其單色性較差。輸出激光的峰值波長(zhǎng)：77K時(shí)為840nm；300K時(shí)為902nm。

半導(dǎo)體激光器工藝知識(shí)

半導(dǎo)體激光器的制造工藝從原理上與半導(dǎo)體電子器件的工藝有很多相似之處。半導(dǎo)體激光器的誕生需要經(jīng)過(guò)很多的制造工藝步驟才能實(shí)現(xiàn)。盡管各種半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，制造工藝存在較大的差別，但都大同小異。

基本工藝：襯底的選擇和制備；外延生長(zhǎng)；腐蝕；擴(kuò)散、電極制作；解理或劃片；裝架制管；老化篩選;；封裝耦合；總測(cè)。

下面說(shuō)明其中幾個(gè)主要工藝：

1、襯底的選擇是器件制造的第一步。襯底就是用于外延生長(zhǎng)的基片。由于外延生長(zhǎng)的質(zhì)量明顯地受襯底結(jié)晶質(zhì)量的影響，襯底必須考慮與形成異質(zhì)結(jié)材料的晶格匹配（有時(shí)也加緩沖層）；具有規(guī)定的晶向及一定的偏離范圍；要有適當(dāng)?shù)膿诫s濃度；一定的厚度； 表面和內(nèi)部的缺陷密度要低，表面平整光亮，無(wú)劃痕。

2、外延生長(zhǎng)工藝是半導(dǎo)體激光器制造中的核心工藝，它是決定器件性能和成品率的關(guān)鍵步驟。外延生長(zhǎng)就是在襯底片上生長(zhǎng)多層的- 元或多元化合物或合金（固溶體），以使其形成同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。常用外延生長(zhǎng)工藝有LPE、MOCVD、MBE等。

3、腐蝕是根據(jù)激光器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和所用材料來(lái)制備所需各種形狀的重要工藝環(huán)節(jié)。它分濕法（化學(xué)） 腐蝕和干法腐蝕（等離子刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕，磁回旋共振刻蝕等） 兩種，各有自己的使用范圍。千法腐蝕主要用作微小尺寸的精細(xì)刻蝕。

4、擴(kuò)散是半導(dǎo)體制造中十分成熟而又日益重要的一一項(xiàng)技術(shù)。利用擴(kuò)散技術(shù)可以改變半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)。

5、電極制作又稱歐姆接觸，它的好壞不僅影響器件的功率轉(zhuǎn)換，而且。直接影響器件的可靠性和壽命。

6、解理技術(shù)是將金屬化（歐姆接觸制作） 后外延芯片解理成單個(gè)芯片，并獲得平行反射腔面（即F-P腔）的- -項(xiàng)技術(shù)。

7、燒焊是將檢測(cè)合格的管芯用焊料燒結(jié)在熱沉上。燒焊方法有真空燒焊和成形氣體燒焊兩種，主要根據(jù)焊料的性質(zhì)及工藝來(lái)選擇。燒焊時(shí)既要保持粘結(jié)牢固，粘潤(rùn)要均勻，但所用焊料又不能太多，溫度不能太高，以防止焊料溢出底面破壞解理面，甚至玷污有源區(qū)。

8、鍵合是將金絲或金箔帶用超聲焊或熱壓焊，或兩者兼有的方法將電極連接在管芯上，以作電流注入的引線。

9、為了提高可靠性，封裝應(yīng)是全金屬化的，密封不漏氣。某些情況下，管殼內(nèi)還裝有溫控、光控傳感器及半導(dǎo)體制冷器，有時(shí)還裝有驅(qū)動(dòng)電路，這些都視具體要求而定。通過(guò)上述工藝即可得到實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體激光器件。

常用的半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

量子阱半導(dǎo)體大功率激光器在精密機(jī)械零件的激光加工方面有重要應(yīng)用，同時(shí)也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源。由于它的高效率、高可靠性和小型化的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致了固體激光器的不斷更新-在印刷業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高功率半導(dǎo)體激光器也有應(yīng)用。另外，如長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器（1976年，人們用GaInAsP／lnP實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器）用于光通信，短波長(zhǎng)激光器用于光盤讀出。自從NaKamura實(shí)現(xiàn)了GatnN／QaN藍(lán)光激光器，可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如cD播放器，DVD系統(tǒng)和高密度光存儲(chǔ)器?？梢?jiàn)光面發(fā)射激光器在光盤、打印機(jī)、顯示器中都有著很重要的應(yīng)用，特別是紅光、綠光和藍(lán)光面發(fā)射激光器的應(yīng)用更廣泛。

藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測(cè)及應(yīng)用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機(jī)中。總之，可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫入，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用途。量子級(jí)聯(lián)激光的新型激光器應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)和醫(yī)檢領(lǐng)域。

另外，由于半導(dǎo)體激光器可以通過(guò)改變磁場(chǎng)或調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，且已經(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導(dǎo)體激光器可以進(jìn)行高分辨光譜研究。可調(diào)諧激光器是深入研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)而迅速發(fā)展的激光光譜學(xué)的重要工具。大功率中紅外（3—5郵，）LD在紅外對(duì)抗、紅外照明、激光雷達(dá)、大氣窗121、自由空聞通信、大氣監(jiān) 視和化學(xué)光譜學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。

綠光到紫外光的垂直腔面發(fā)射器在光電子學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，如超高密度、光存儲(chǔ)。近場(chǎng)光學(xué)方案被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高密度光存儲(chǔ)的重要手段。垂直腔面發(fā)射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發(fā)射、照明、光信號(hào)、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫(yī)療等方面。

如前所述，半導(dǎo)體激光器自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，由于取得了DFB動(dòng)態(tài)單縱模激光器的研制成功和實(shí)用化，最子阱和應(yīng)變層量子阱激光器的出現(xiàn)，大功率激光器及其列陣的進(jìn)展，可見(jiàn)光激光器的研制成功，面發(fā)射激光器的實(shí)現(xiàn)、單極性注入半導(dǎo)體激光器的研制等等一系列的重大突破，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，半導(dǎo)體激光器已成為激光產(chǎn)業(yè)的主要組成部分，目前已成為各國(guó)發(fā)展信息、通信、家電產(chǎn)業(yè)及軍事裝備不可缺少的重要基礎(chǔ)。