半导体激光器的发展与特性

"该资源是关于电子功能材料与元器件中的半导体激光器的介绍，讲述了半导体激光器的发展历史、特点、工作原理以及制作和特性。" 半导体激光器是电子功能材料与元器件的重要组成部分，其发明和发展与半导体物理学密切相关。在20世纪60年代初期，科学家们开始尝试制造半导体激光器，最终由哈尔（Hall）等人在1962年取得了突破，发明了同质激光器。随后，不同类型的激光器相继出现，如利用自然解理面的同质激光器、异质结激光器、单异质结激光器和双异质结激光器。 半导体激光器具有多个显著特点： 1. 尺寸小巧，芯片面积仅为0.1mm²，整个设备也仅1cm²左右。 2. 全固体结构，无需外部光学反射镜即可实现激光振荡。 3. 可通过电流轻松调节工作状态，实现电光转换。 4. 电-光转换效率高，一般在百分之几到百分之几十之间。 5. 寿命长，能够连续工作上万小时以上。 6. 功耗低，只需1-2V电压和几十毫安电流。 激光的产生涉及受激辐射和自发辐射。受激辐射是指处于基态的原子吸收光子能量后跃迁到激发态，然后在很短时间内以相同频率释放出新的光子，使得光子数量增加，形成激光。激光的产生需要满足特定条件，包括粒子数反转（Δn的要求）、合适的带隙能量（ΔEg的要求）、适当的发光层厚度以及匹配的晶格常数。 半导体激光器的工作原理基于载流子注入机制，通过在P型和N型半导体材料间形成一个薄的有源区（发光层），当外部电流注入时，电子和空穴在有源区复合，释放能量以光子形式发射出来。为了提高激光效率，通常采用双异质结（DH）结构，这种结构能有效控制载流子的注入和限制载流子的扩散，从而增强受激辐射。 双异质结激光器的制作过程涉及复杂的半导体工艺，如液相外延技术，通过在特定材料（如GaAs）上生长不同成分的AlxGa1-xAs层来形成异质结。DH激光器的特性包括高增益系数、窄线宽以及良好的温度稳定性和寿命。 半导体激光器是现代光电子技术的关键元件，广泛应用于通信、数据存储、医疗、工业加工等领域，其技术的发展持续推动着科技进步。