二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一--半導(dǎo)體激光器

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

自1962年世界上第一臺半導(dǎo)體激光器發(fā)明問世以來，半導(dǎo)體激光器發(fā)生了巨大的變化，極大地推動了其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，被認(rèn)為是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。

近十幾年來，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展更為迅速，已成為世界上發(fā)展最快的一門激光技術(shù)。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)。

由于半導(dǎo)體激光器的體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸入能量低、壽命較長、易于調(diào)制以及價格較低廉等優(yōu)點，使得它目前在光電子領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，已受到世界各國的高度重視。

半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 Pn 結(jié)或 Pin 結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有砷化鎵、砷化銦、銻化銦、硫化鎘、碲化鎘、硒化鉛、碲化鉛、鋁鎵砷、銦磷砷等。

半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注入，即給 Pn 結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射 ，也就是說是個正向偏置的二極管。因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管。

對半導(dǎo)體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷 ，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上。它們所發(fā)出的波長在0.3～34μm之間。其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長為750～890nm。

半導(dǎo)體激光器制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴散法到液相外延法（LPE），氣相外延法（VPE），分子束外延法（MBE），MOCVD 方法（金屬有機化合物汽相淀積），化學(xué)束外延（CBE）以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝。

半導(dǎo)體激光器最大的缺點是：激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大（一般在幾度到20度之間），所以在方向性、單色性和相干性等方面較差。

但隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的研究正向縱深方向推進 ，半導(dǎo)體激光器的性能在不斷地提高。以半導(dǎo)體激光器為核心的半導(dǎo)體光電子技術(shù)在 21 世紀(jì)的信息社會中將取得更大的進展， 發(fā)揮更大的作用。

半導(dǎo)體激光器的工作原理

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)的能級所組成的能帶 ，因此在半導(dǎo)體中要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個能帶區(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)注入必要的載流子來實現(xiàn)，將電子從能量較低的價帶激發(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 ，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。

2、要實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F-p 腔（法布里-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。這就必須要有足夠強的電流注入，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，具有特定波長的光就能在腔內(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)射和光放大過程。對于新型半導(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)展的根本動力。

量子線和量子點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，而GaInN 量子點已用于半導(dǎo)體激光器。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史

20世紀(jì)60年代初期的半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)型激光器，它是在一種材料上制作的 pn 結(jié)二極管。在正向大電流注入下電子不斷地向p區(qū)注入，空穴不斷地向n區(qū)注入。

于是，在原來的pn結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)實現(xiàn)了載流子分布的反轉(zhuǎn)，由于電子的遷移速度比空穴的遷移速度快，在有源區(qū)發(fā)生輻射、復(fù)合，發(fā)射出熒光，在一定的條件下發(fā)生激光，這是一種只能以脈沖形式工作的半導(dǎo)體激光器。

半導(dǎo)體激光器發(fā)展的第二階段是異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器，它是由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層,如GaAs、GaAlAs 所組成，最先出現(xiàn)的是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器(1969 年)。

單異質(zhì)結(jié)注入型激光器(SHLD)GaAsP-N 結(jié)的 p 區(qū)之內(nèi)，以此來降低閥值電流密度，其數(shù)值比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個數(shù)量級，但單異質(zhì)結(jié)激光器仍不能在室溫下連續(xù)工作。

從20世紀(jì)70年代末開始，半導(dǎo)體激光器明顯向著兩個方向發(fā)展， 一類是以傳遞信息為目的的信息型激光器，另一類是以提高光功率為目的的功率型激光器。在泵浦固體激光器等應(yīng)用的推動下，高功率半導(dǎo)體激光器(連續(xù)輸出功率在100mw以上，脈沖輸出功率在 5W 以上，均可稱之謂高功率半導(dǎo)體激光器)。

在 20 世紀(jì)90年代取得了突破性進展，其標(biāo)志是半導(dǎo)體激光器的輸出功率顯著增加，國外千瓦級的高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商品化，國內(nèi)樣品器件輸出已達(dá)到 600W。

如果從激光波段的被擴展的角度來看，先是紅外半導(dǎo)體激光器，接著是 670nm 紅光半導(dǎo)體激光器大量進入應(yīng)用，接著，波長為650nm、635nm的問世 ，藍(lán)綠光、藍(lán)光半導(dǎo)體激光器也相繼研制成功，10mW 量級的紫光乃至紫外光半導(dǎo)體激光器，也在加緊研制中。

20世紀(jì)90年代末，面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器得到了迅速的發(fā)展，且已考慮了在超并行光電子學(xué)中的多種應(yīng)用。980nm、850nm和780nm的器件在光學(xué)系統(tǒng)中已經(jīng)實用化。目前，垂直腔面發(fā)射激光器已用于千兆位以太網(wǎng)的高速網(wǎng)絡(luò)。

羅姆的半導(dǎo)體激光器

羅姆開發(fā)出利用GaN結(jié)晶非極性面的藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光元件。能夠在室溫條件下連續(xù)振蕩。從其特性表來看，在約55mA的注入電流下能夠得到10mW的功率。振蕩波長為404nm。今后將進一步增大振蕩波長。

此次的藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光元件利用GaN結(jié)晶中稱為m面的非極性面進行結(jié)晶生長。這是通過開發(fā)可減少層積缺陷的技術(shù)而實現(xiàn)的，而層積缺陷正是過去在利用m面進行結(jié)晶生長時存在的問題。一般來說，發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光元件等發(fā)光元件，其活性層的層積缺陷越多，光功率就越弱。半導(dǎo)體激光元件的導(dǎo)波路徑結(jié)構(gòu)采用了較為典型的尺寸，導(dǎo)波路徑寬度為1.5μm，長度為600μm。端面未進行涂布處理。根據(jù)特性表來看，進行脈沖振蕩時閥值電流預(yù)計為28mA，連續(xù)振蕩時閥值電流約為37mA。

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器，由于它的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過300種。

1在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的應(yīng)用

1）光纖通信。半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的唯一實用化光源，光纖通信已成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。

2）光盤存取。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于光盤存儲器，其最大優(yōu)點是存儲的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高光盤的存儲密。

3）光譜分析。遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測大氣污染、汽車尾氣等。在工業(yè)上可用來監(jiān)測氣相淀積的工藝過程。

4）光信息處理。半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于光信息理系統(tǒng)。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器二維陣列是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，將用于計算機和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 5) 激光微細(xì)工。借助于Q開關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高能量超短光沖，可對集成電路進行切割、打孔等。

5）激光報警器。半導(dǎo)體激光報警器用途甚廣，包括防盜報警、水位報警、車距報警等。

6）激光打印機。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率。

7）激光條碼掃描器。半導(dǎo)體激光條碼掃描器已經(jīng)廣泛用于商品的銷售，以及圖書和檔案的管理。

8）泵浦固體激光器。這是高功率半導(dǎo)體激光器的一個重要應(yīng)用，采用它來取代原來的氛燈，可以構(gòu)成全固態(tài)激光系統(tǒng)。

9）高清晰度激光電視。不久的將來，沒有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機可以投放市場，它利用紅、藍(lán)、綠三色激光，估計其耗電量比現(xiàn)有的電視機低20%。

2、 在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面的應(yīng)用

1）激光手術(shù)治療。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于軟組織切除，組織接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮膚科、泌尿科、婦產(chǎn)科等，均廣泛地采用了這項技術(shù)。

2）激光動力學(xué)治療。將對腫瘤有親合性的光敏物質(zhì)有選擇地聚集于癌組織內(nèi)，通過半導(dǎo)體激光照射，使癌組織產(chǎn)生活性氧，旨在使其壞死而對健康組織毫無損害。

3）生命科學(xué)研究。使用半導(dǎo)體激光的“光鑷”，可以撲捉活細(xì)胞或染色體并移至任意位置，已經(jīng)用于促進細(xì)胞合成，細(xì)胞相互作用等研究，還可以作為法醫(yī)取證的診斷技術(shù)。

審核編輯黃昊宇