半導體激光器是指以半導體材料為工作物質的激光器，又稱半導體激光二極管（LD），是20世紀60年代發展起來的一種激光器。半導體激光器的工作物質有幾十種，例如砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）等，激勵方式主要有電注入式、光泵式和高能電子束激勵式三種。半導體激光器從最初的低溫（77K）下運轉發展到室溫下連續工作；從同質結發展成單異質結、雙異質結、量子阱（單、多量子阱）等多種形式。半導體激光器因其波長的擴展、高功率激光陣列的出現以及可兼容的光纖導光和激光能量參數微機控制的出現而迅速發展。

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

半導體激光器的工作原理

激光產生原理

半導體激光器是一種相干輻射光源，要使它能產生激光，必須具備三個基本條件：

（1）增益條件：建立起激射媒質（有源區）內載流子的反轉分布，在半導體中代表電子能量的是由一系列接近于連續的能級所組成的能帶，因此在半導體中要實現粒子數反轉，必須在兩個能帶區域之間，處在高能態導帶底的電子數比處在低能態價帶頂的空穴數大很多，這靠給同質結或異質結加正向偏壓，向有源層內注人必要的載流子來實現。將電子從能量較低的價帶激發到能量較高的導帶中去。當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時，便產生受激發射作用。

（2）要實際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學諧振腔內得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導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膜，而出光面鍍上減反膜。對F—p腔（法布里一珀羅腔）半導體激光器可以很方便地利用晶體的與P—n結平面相垂直的自然解理面一面構成F—P腔。

（3）為了形成穩定振蕩，激光媒質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，即有足夠的粒子數反轉，粒子數反轉程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當激光器達到閥值時，具有特定波長的光就能在腔內諧振并被放大，最后形成激光而連續地輸出。

可見在半導體激光器中，電子和空穴的偶極子躍遷是基本的光發射和光放大過程。對于新型半導體激光器而言，人們目前公認量子阱是半導體激光器發展的根本動力。量子線和量子點能否充分利用量子效應的課題已延至本世紀，科學家們已嘗試用自組織結構在各種材料中制作量子點，而GaInN量子點已用于半導體激光器。另外，科學家也已經做出了另一類受激輻射過程的量子級聯激光器，這種受激輻射基于從半導體導帶的一個次能級到同一能帶更低一級狀態的躍遷，由于只有導帶中的電子參與這種過程，因此它是單極性器件。

半導體激光器的工作特性

1）閾值電流

當注入p-n結的電流較低時，只有自發輻射產生，隨電流值的增大增益也增大，達閾值電流時，p-n結產生激光。影響閾值的幾個因素：

（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）與半導體材料結型有關，異質結閾值電流比同質結低得多。目前，室溫下同質結的閾值電流大于30000A/cm2；單異質結約為8000A/cm2；雙異質結約為1600A/cm2。現在已用雙異質結制成在室溫下能連續輸出幾十毫瓦的半導體激光器。

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

2）方向性

由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結的垂直平面內，發散角最大，可達20°-30°；在結的水平面內約為10°左右。

3）效率

量子效率 η＝每秒發射的光子數／每秒到達結區的電子空穴對數77K時，GaAs激光器量子效率達70％－80％；300K時，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，目前的雙異質結器件，室溫時的η1最高10％，只有在低溫下才能達到30％－40％。

4）光譜特性

由于半導體材料的特殊電子結構，受激復合輻射發生在能帶（導帶與價帶）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，可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長：77K時為840nm；300K時為902nm。

半導體激光器工藝知識

半導體激光器的制造工藝從原理上與半導體電子器件的工藝有很多相似之處。半導體激光器的誕生需要經過很多的制造工藝步驟才能實現。盡管各種半導體激光器的結構設計不同，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；腐蝕；擴散、電極制作；解理或劃片；裝架制管；老化篩選;；封裝耦合；總測。

下面說明其中幾個主要工藝：

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的基片。由于外延生長的質量明顯地受襯底結晶質量的影響，襯底必須考慮與形成異質結材料的晶格匹配（有時也加緩沖層）；具有規定的晶向及一定的偏離范圍；要有適當的摻雜濃度；一定的厚度； 表面和內部的缺陷密度要低，表面平整光亮，無劃痕。

2、外延生長工藝是半導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鍵步驟。外延生長就是在襯底片上生長多層的- 元或多元化合物或合金（固溶體），以使其形成同質結或異質結。常用外延生長工藝有LPE、MOCVD、MBE等。

3、腐蝕是根據激光器設計的結構和所用材料來制備所需各種形狀的重要工藝環節。它分濕法（化學） 腐蝕和干法腐蝕（等離子刻蝕，反應離子刻蝕，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刻蝕。

4、擴散是半導體制造中十分成熟而又日益重要的一一項技術。利用擴散技術可以改變半導體材料的電學、光學性質。

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換，而且。直接影響器件的可靠性和壽命。

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

7、燒焊是將檢測合格的管芯用焊料燒結在熱沉上。燒焊方法有真空燒焊和成形氣體燒焊兩種，主要根據焊料的性質及工藝來選擇。燒焊時既要保持粘結牢固，粘潤要均勻，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。

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，封裝應是全金屬化的，密封不漏氣。某些情況下，管殼內還裝有溫控、光控傳感器及半導體制冷器，有時還裝有驅動電路，這些都視具體要求而定。通過上述工藝即可得到實際應用的半導體激光器件。

常用的半導體激光器的應用

量子阱半導體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要應用，同時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點，導致了固體激光器的不斷更新-在印刷業和醫學領域，高功率半導體激光器也有應用。另外，如長波長激光器（1976年，人們用GaInAsP／lnP實現了長波長激光器）用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出。自從NaKamura實現了GatnN／QaN藍光激光器，可見光半導體激光器在光盤系統中得到了廣泛應用，如cD播放器，DVD系統和高密度光存儲器。可見光面發射激光器在光盤、打印機、顯示器中都有著很重要的應用，特別是紅光、綠光和藍光面發射激光器的應用更廣泛。

藍綠光半導體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機中。總之，可見光半導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、高密度光盤存儲系統、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。量子級聯激光的新型激光器應用于環境檢測和醫檢領域。

另外，由于半導體激光器可以通過改變磁場或調節電流實現波長調諧，且已經可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導體激光器可以進行高分辨光譜研究。可調諧激光器是深入研究物質結構而迅速發展的激光光譜學的重要工具。大功率中紅外（3—5郵，）LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達、大氣窗121、自由空聞通信、大氣監 視和化學光譜學等方面有廣泛的應用。

綠光到紫外光的垂直腔面發射器在光電子學中得到了廣泛的應用，如超高密度、光存儲。近場光學方案被認為是實現高密度光存儲的重要手段。垂直腔面發射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫療等方面。

如前所述，半導體激光器自20世紀80年代初以來，由于取得了DFB動態單縱模激光器的研制成功和實用化，最子阱和應變層量子阱激光器的出現，大功率激光器及其列陣的進展，可見光激光器的研制成功，面發射激光器的實現、單極性注入半導體激光器的研制等等一系列的重大突破，半導體激光器的應用越來越廣泛，半導體激光器已成為激光產業的主要組成部分，目前已成為各國發展信息、通信、家電產業及軍事裝備不可缺少的重要基礎。