5.价格低廉。现在，最便宜的半导体激光器仅为1美元一只，但通信用LD、高功率LD、有特殊要求的LD的价格仍然偏高。不过，相对于其他激光器而言，半导体激光器价格还是相对低廉的，而且具有相当大的降价潜力，原因是：它可用成熟的微电子技术进行大量生产，如可在3英寸的衬底上，生产7000个半导体激光器。以前，封装工艺还是手工的，但最近，朗讯公司等推出的激光2000封装设备，已使LD从管芯到封装成型、参数检测自动完成，这大大提高了通信用LD的产品质量和数量，也大大降低了成本。
LD魅力还远不止这些，正是由于LD本身确实具有如此惊人的魅力，才使它的发展如此之快，才使它在当今的信息社会里扮演了如此重要的角色，才使它对人类生活产生如此重大的影响。关心它，了解它，学会应用它，无疑会对你在新世纪的发展中产生重要影响！
半导体激光器的基础知识
(一)半导体激光材料
前面谈到：半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的，但不是所有的半导体材料都可以用来制作半导体激光器，如大量用于制作微电子器件的锗(Ge)和硅(Si)不适合于制作半导体激光器，因为这些半导体是间接带隙半导体。只有具有直接带隙的半导体材料，如砷化镓(GaAs)、铟镓砷磷(InGaAsP)、铟镓砷、(InGaAs)等，才可用来制作半导体激光器。为了说明这一点，有必要了解一些有关半导体材料的基础知识。
大家知道：原子是由原子核和电子组成的，电子可在不同的轨道上绕核运动，在不同轨道上运动的电子具有不同的能量。我们称对应于某一轨道的能量为能级。如果电子从一个轨道跳到另一个轨道，即从一个能级跳到另一个能级，电子的能量就要发生变化，或放出能量，或吸收能量。
在半导体中，情况比较复杂。内层电子的行为与原子中内层电子的行为类似。外层电子的行为与原子中外层电子的行为很不相同，半导体中的外层电子，不再局限于单个原子运动，它可以在整个晶体中自由运动。但是，这种运动又与电子在自由空间的运动形式不同，在自由空间，电子的运动不受任何约束，在半导体中，电子则是在周期场的作用下运动的。理论研究表明：在周期场作用下运动的电子，所对应的能级就会变成能带。Ge、Si为间接带隙半导体，它们的导带底与价带顶分别对应于不同的K值；CaAs为直接带隙半导体，其导带底与价带顶对应于同一个K值。只有直接带隙半导体才能用来制作半导体激光器，因为，在这种半导体中，电子从导带底向价带顶跃迁时，不必要改变其动量，即改变K值。而在间接带隙半导体中，电子从导带底向价带顶跃迁时，必须改变其动量，即改变K值。电子动量的变化，意味着要引起晶格振动的变化，即意味着要有声子参与，声子的参与将使发光效率大大降低。所以，间接带隙半导体不宜用来制作半导体激光器，但仍可用来制作发光二极管。
不同半导体材料具有不同的禁带宽度，因而用不同材料制作的半导体激光器，发射波长也就不同；在同一种材料中，改变组分也可使波长在一定范围内变化。
(二)LD的核心——pn结
上面谈到的半导体都是纯的半导体，如果在纯的半导体中掺入少量杂质，就会使半导体的性质发生很大变化。适当掺入某些杂质，会使微电子和光电子器件的性能大大提高。
不掺杂的纯半导体又称为本征半导体。在本征半导体中，导带中的电子和价带中的空穴在数量上是一样的。如果在半导体中掺入某种杂质，情况就会发生变化。现在，以GaAs为例，看看掺入某种杂质后，会发生什么变化。查一查门捷列夫元素周期表，不难发现Ga是三价原子，As是五价原子，GaAs最外层共有8个电子，处于稳定状态。如果在某个Ga的位置，用Zn来替代Ga，因为Zn是二价的，结果就使GaAs的最外层电子变成7个，这是一个不稳定的状态，有吸引周围电子的倾向。从电学的角度看，它带有正电。我们称这种带正电的杂质——原子团为空穴。这种空穴在获得很小的能量(电离能)之后，可在整个晶体中自由运动，从能量角度看，它已进入价带了。这种杂质被称为受主(受主杂质浓度用NA表示)，因为它能为半导体提供空穴。
含有受主的半导体称为p型半导体。受主杂质的电离能是很小的，室温时的热能就能把空穴电离到价带中去。在能带图上，受主杂质能级处于禁带中，但紧靠价带顶。在掺杂浓度较低时，受主杂质能级与价带顶也是分离的，但是，在杂质浓度很高时，会形成杂质能带，当杂质浓度高到一定程度时，受主杂质能带就会与价带顶相连，形成所谓带尾。同样的，如果用六价原子Sn替代As，CaAs的最外层电子就变成9个，这也是一个不稳定状态，因为多余一个电子。这个电子在获得很小的能量(电离能)之后，也可在整个晶体中自由运动，从能量角度看，电子进入导带了。这样的杂质称为施主，因为它能为半导体提供电子(施主杂质浓度用ND表示)。含有施主的半导体称为n型半导体，杂质原子的外层电子也是具有一定能量的，因为其电离能很小，室温时的热能就足以把杂质原子的外层电子电离到导带去了。因此，在能带图上，施主杂质的能级也处于禁带中，但紧靠导带底。
在掺杂浓度较低时，杂质能级与导带低是分离的，但是，在杂质浓度很高时，也会形成杂质能带，当杂质浓度高到一定程度时，杂质能带就会与导带底相连，形成所谓带尾。
理论研究表明：半导体中电子在能带中的分布是有一定规律的。这个规律就是费米-狄拉克分布律，电子在能级Z占有的概率f为f=［e(E-EF)／kT+1］-1，其中EF称为费米能级，A是玻尔兹曼常量，T代表温度。
EF的物理含义是：在这个能级上电子的占有概率为1／2。
可以这样认为：在费米能级以上的能级都是空的，在费米能级以下的能级都为电子所占满。把这个费米能级也画在能级图上，就会看到n型半导体的费米能级也处于禁带中，但紧靠导带底，p型半导体的费米能级也处于禁带中，但紧靠价带顶。
现在来看看，当n型半导体与p型半导体无缺陷地合在一起时，会发生什么情况？
在n型半导体与p型半导体无缺陷地结合在一起时，n型半导体中的电子会向p型半导体中扩散；p型半导体中空穴会向n型半导体扩散。但是，电子和空穴的这种扩散不是无限制的。原来，无论是n型半导体，还是p型半导体本来都是电中性的。各处电子所带的负电荷的数目正好与原子核中的正电荷数目相抵。现在，在靠近p型半导体一侧的n型半导体中，由于电子向p型半导体扩散，该处的n型半导体就会积累正电荷(即带正电)；同样的道理，在p型半导体中，由于空穴扩散而积累负电荷(即带负电)。这样，就在pn结交界处附近形成一个自建的电场，这个自建场阻止电子由n区向p区扩散，阻止空穴由p区向n区扩散。在无外界作用的情况下，由扩散引起的扩散电流正好与由自建场引起的漂移电流相抵消。这个含有正负电荷的区域称空间电荷区。pn结，实质上就是这个空间电荷区。在无外界作用时，由扩散引起的扩散电流与由自建场引起的漂移电流正好保持着动态平衡状态。
因为n型和p型半导体的费米能级在能带中所处的位置不同，在结合成一体时，必须保证n型和p型半导体的费米能级相等，因此pn结处的能带就会弯曲。
研究表明：pn结在外加电压的情况下，上述的平衡将会破坏，产生单向导电的特性。pn结的电流-电压关系如下式所示：
I=Is=(eqV/kT-1)式中Is为饱含电流，q是电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T是温度。在室温时，kT／q=26毫伏。
现在假设，在pn结上加正电压，即在p区加正，n区加负，这个外加电压的方向，正好与自建场的方向相反。因此，它的作用是削弱自建场，减小漂移电流。结果使扩散电流增加，当自建场完全被抵消时，扩散电流便占绝对优势，使电流随电压指数增加。在半导体激光器的情况下，这个扩散电流所引起的电子和空穴就在空间电荷区内通过复合产生光子。
在反向电压时，外加电压与自建场的方向相同，进一步阻止电子和空穴的扩散，使空间电荷区增宽，I=Is。进一步增加电压，有可能使pn结击穿。
外加电压后，pn结处的能带图也将发生变化，加正电压时，能带的弯曲程度减缓，加负电压时，能带的弯曲程度加剧。
(三)异质结
上面谈到的pn结，是由相同半导体材料所形成的。在现代光电子器件中，通常还需用到异质结，以提高器件的光学和电学性能。
所谓异质结是指由两种不同半导体材料所形成的结。通常，构成异质结的半导体材料具有不同的禁带宽度，为表达清楚起见，具有较大禁带宽度的半导体类型用大写的N和P表示，禁带宽度较小的半导体类型用小写的n和p表示。异质结有同型异质结和异型异质结之分。所谓同型异质结是指半导体材料不同，但类型相同，如nN，pP结等；异型异质结是指半导体材料不同，类型也不同，如nP，pN，Np，Pn结等。为了保证异质结的质量，通常要求构成异质结的半导体材料具有相同或相近的晶格常数，这样构成的异质结不会产生应力，不会引起缺陷的产生和发展。构成异质结的半导体材料还具有不同的折射率，一般说来，禁带宽度较小的半导体材料，折射率较大，禁带宽度较大的半导体材料，折射率较小。巧妙地利用上述异质结，可以大大提高半导体激光器的性能。
半导体激光器件类型
半导体激光器件的结构对器件性能有很大影响，为了改善LD性能和满足应用需要，人们至今已开发了数百种不同的激光结构，不少LD就是根据其结构来命名的。下面介绍一些关键的LD结构，为叙述方便起见，我们分别从3个方向，即垂直于pn结、平行于pn结和沿共振腔方向逐一叙述。
(一)同质结激光器
1962年发明的第一只二极管激光器是同质结激光器，由同种半导体材料(GaAs)的Pn结所组成。pn结是用扩散的方法形成的，即在n-GaAs衬底上扩散锌，用二价的Zn原子去代替GaAs中的Ca而构成p-GaAs。也可用液相外延方法，在n-GaAs衬底上外延一层p-GaAs层而构成GaAspn结。因为，电子的扩散长度比空穴的扩散长度大，所以，增益区主要集中在pn结的p侧，增益区的厚度d主要与电子扩散长度L有关。注入载流子浓度随垂直于pn结的距离按exp(-xL)规律减小，因此激发与增益是不均匀的。
还有一些电子扩散到增益区外，对增益没有贡献。增益区两边的折射率差很小，对光学场的限制也很小，故光损耗较大。这种激光器不能在室温连续受激，而只能在低占空比条件下脉冲运转。
(二)单异质结激光器
1967年，人们在经过了多年研究之后，成功地将异质结的概念用到LD中。先用液相外延的方法在n-GaAs衬底上外延一层p-GaAs层，然后再外延一层P-GaAs层，构成单异质结激光器。因为，GaAlAs和GaAs的结构一样，晶格常数也大体相同，所以，不会在pP同型异质结引入缺陷，但是，由于GaAlAs的禁带宽度比GaAs的大，因而，在pP同型异质结处形成了一个小势垒，阻止注入电子向p区的进一步扩散，使结p边的增益区厚度d仅由窄带p型半导体的厚度决定，而与电子扩散长度L无关。此外，窄带半导体的折射率也比宽带半导体的折射率大，因而对光子的限制增强，使光损耗大大减小。所有这些都使单异质结激光器的阈值电流密度大幅度下降，从同质结的2×105安／厘米2下降到8×103安／厘米2。这是一个很大的进步。但是，这还不够，单异质结激光器仍不能在室温连续运转，而只能脉冲工作。不过，单异质结激光器已能满足测距、射击模拟、引信、激光雷达等应用对高峰值功率、低重复率的要求，从20世纪60年代开始直到现在都有商品出售。
(三)双异质结激光器
1970年，人们又在单异质结激光器的n侧加了一层N-CaAlAs层，从而构成了所谓双异质结(DH)激光器。DH激光器不仅使进入P区的电子受到pP同型异质结的限制，也使进入N区的空穴扩散受到nN同型异质结的限制，从而将载流子更紧密地限制在作用区。同样，由禁带宽度不同而在作用区和限制层之间形成的折射率差在垂直于结的方向上构成光波导，把光子也紧紧地限制在作用区，使光损耗进一步减小。所有这些都使双异质结激光器的阈值电流密度进一步下降，降至2×103安／厘米2，在采用条形结构和改善散热条件之后，于1970年春，实现了GaAlAs／GaAs DH激光器的室温连续运转。这是一个划时代的进步，它极大地推动了光通信等信息技术的研究和发展。
研究表明：DH激光器的阈值电流密度Jth随作用区厚度d的减小而减小，但当d小到一定程度(d＜0.2微米)时，Jth随d的减小而增大，因为d越小，光学场向两侧的延伸就越远，光学限制因此变小。为了减小光学场向两侧的延伸，再在外侧制作带隙更大的光学限制层，这样，用第一个异质结限制载流子，用第二个异质结来限制光子。人们常称这种激光器为分别限制异质结激光器，因为这种激光器的光波导区比DH激光器大，又称这种激光器为大光学腔激光器，最先进的分别限制异质结激光器，采用梯度折射率分别限制单量子阱(GRAN-SCH-SQW)结构，有源层的宽度仅为10纳米量级。波导区材料的折射率采用梯度分布，以有利于进一步降低激光振荡的阈值电流密度。大光学腔激光器或分别限制异质结激光器的主要优点是光输出功率高，阈值电流密度低，光束发散角小。在DH激光器的情况下，d小，Jth值也小；但d小时，由于受腔面灾变阈值所限，输出光功率不可能很高，此外在垂直于pn结方向上的发散角也很大。采用大光学腔激光器后，可使d小，波导区较宽，从而使输出光功率提高，由衍射所决定的发散角减小。
(四)量子阱激光器
