半导体激光器：现代科技的精密光源
背景
激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，受激辐射光放大）是将能量转化为光的器件。用电能或光能激发原子/分子跃迁辐射光。激光器由腔体组成，两端平面或球面镜，腔内填充可激发至亚稳态的工作物质——晶体、玻璃、液体、染料、气体均可。
最简腔体双镜：一全反射，一反射50-99%。光在镜间来回振荡强度递增。激光光束高亮、可远投、可聚焦微斑。
镜类型决定光束性质。透过率1-2%输出镜产生高亮、高单色（单波长/单色）、高相干光束。平面镜产生高准直（平行）光束；凹面镜使光束近腔端输出。前者特性使激光在医学极具价值——精准靶向病灶，规避周围组织损伤。
半导体激光器将电能直接转化为光。利用半导体材料（导电介于导体与绝缘体间），掺杂特定杂质改变电子/空穴浓度。
相比其他激光器，半导体激光器体积小、可靠、寿命长。核心两部件：光放大器与谐振腔。放大器基于砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）衬底的直接带隙半导体材料——周期表III族与V族元素化合物。合金材料以精确分层结构外延于衬底。
谐振腔循环光通过放大器并聚焦。通常含波导与两平行平面镜。镜面镀膜调控反射率、提升抗高功率密度损伤能力。
半导体激光器性能与成本取决于输出功率、亮度、工作寿命。功率决定工艺最大通量/进给率。高亮度（聚焦微斑能力）决定功率效率。寿命越长运营成本越低，工业应用尤为关键。
最简半导体激光器为单发射单元，连续波功率超1瓦。为提升功率，开发条带与多条带模组/堆叠。条带为单芯片集成10-50个并列单元；堆叠为条带二维阵列。条带输出50瓦，寿命超5000小时。高功率产热大，须集成散热系统。
历史
激光概念源自爱因斯坦光子理论：光由波能光子组成，光子能量对应波频，频率越高能量越大。爱因斯坦与S.N.玻色发展光子聚集倾向理论。
1954年诺奖得主查尔斯·汤兹团队在微波区首演激光作用：氨分子束经聚焦电极系统，通适频微波功率后腔内放大，诞生“微波受激辐射放大器”（MASER）。“激光”术语1957年由物理学家戈登·古尔德首创。
汤兹与阿瑟·肖洛1958年提交激光专利，1960年获批。同年西奥多·梅曼在休斯研究实验室发明首台实用激光器：粉红红宝石晶体环闪光灯，置抛光铝圆柱腔强制风冷。两年后用弧灯替代闪光灯实现连续波红宝石激光。
1962年罗伯特·霍尔与通用电气团队在半导体材料演示激光作用，美其他团队跟进。又过约十年才发展出室温工作半导体二极管激光器，苏联团队首演。贝尔实验室跟进并延长寿命。1975年新泽西二极管激光实验室推出首款商用室温半导体激光器。
早期器件仍不足支撑电信应用。经性能寿命改进后，1980年飞利浦（荷兰）与索尼（日本）用二极管激光器开发CD，大获成功。十年末每年售出数千万CD播放机。近年数字视频光盘（DVD）亦基于二极管激光器。
功率提升拓展应用。1995年以来高功率二极管激光器性能跃升25倍。高可靠性下，多达25个二极管激光器可组合成“堆叠”。
1999年激光二极管收入占全激光销售64%（1996年57%），预计2000年达69%。销量占比约99%（超4亿台），意味着大部分激光光直接或间接（二极管泵浦）源自半导体激光器。除工业应用，半导体激光器还作固体/光纤激光器泵浦源，用于彩色打样、数字直制版等图形应用，及医疗军事（目标照明测距）。2000年《Laser Focus World》估算约34%医疗治疗激光为半导体型。
原材料
常规半导体激光器用化合物半导体砷化镓。以锭料形式供货，进一步加工成衬底外延生长其它材料层。外延层材料按精确配方称量。其它材料包括特定金属（锌、金、铜）作掺杂剂或电极，二氧化硅作绝缘层。
双异质结激光器.
设计
半导体激光器基本设计为“双异质结”。多功能层叠：活性/发光层夹于两包层间。包层向活性层注入电子。因活性层折射率大于包层，光场限域于活性层。
改进结设计可减少光腔衍射损耗，通过调控材料折射率与结宽度实现。折射率取决于杂质种类与含量。如P型层部分铝替代镓，折射率降低，光场更好限域于光腔。
结宽度亦影响性能。窄结将电流限域于沿激光器长度的单线，增大电流密度。峰值功率限制≤400瓦/厘米结长，结处电流密度<6500安/平方厘米，以延长寿命。
制造工艺
衬底制备
- 1 衬底用直拉法（Czochralski法）晶体生长。原料混合加热成熔体，冷却固化。种子晶系垂直臂底端，仅接触熔面。臂缓慢上拉，晶体在晶熔界面下生长。晶体缓慢旋转避免杂质。称重拉晶过程可电脑控制拉速得任意直径。
外延层生长
2 外延层生长最常用液相外延（LPE）。当衬底接触特定成分溶液时，同向或固定晶向层可在衬底上生长。降温析出半导体化合物（如GaAs）结晶沉积于衬底。
LPE系统含反应器（生长层）、衬底装载系统、抽排系统（进出料后排气/除杂）、气流系统（氢气扫除反应器杂气）、温控系统。反应器用高纯材料防污染。装载盒通常充氮吹扫开反应器时排空气。反应器典型为石英管，内置石墨舟及舟架。石墨舟含外框、衬底托、间隔块、熔剂盒。
- 3 源材料先漂洗蚀刻清洁表面。干燥后装入石墨舟各熔剂盒。生长各层：先加热熔融至特定温度，衬底托连同衬底从第一熔剂拉至下一熔剂。衬底在每熔剂停留特定时间，按固定冷却速率（通常33°F/分钟即0.5°C/分钟），按各成分专用程序控制。热电偶自动温控。
激光器件加工
- 4 层状结构生长后，后续工序完成器件。先机械抛光衬底至70-100微米备劈裂。衬底面沉积极薄二氧化硅膜。光刻蚀刻形成条纹。蒸发法制备接触电极。沿平行晶面劈裂晶圆形成激光谐振腔。成品器件一侧键合铜散热片，另侧接微小电极。
质量控制
外延生长衬底须满足晶向、蚀刻坑密度（EPD）、杂质浓度、厚度、尺寸要求。晶向偏差几度内。选择性酸蚀显露蚀刻坑（矩形凸/凹）。EPD（每平方厘米蚀刻坑数）估算位错密度，影响寿命。要求EPD≤10³/cm²。杂质浓度~10¹⁸/cm³。衬底直径达3英寸（7.6厘米），典型切片350微米厚。
生长后光学显微镜检表面。研磨或劈裂横截面染色蚀刻增强层间对比度，扫描电镜观层状结构。X射线衍射测层成分与晶格匹配。多种分析法测层杂质浓度与折射率。器件制成后测电压/电流曲线、阈值电流密度、光谱特性等工作参数。
未来展望
Frost & Sullivan分析师预测二极管激光系统市场2005年近46亿美元。增长部分源于高功率二极管激光器成本低于固体激光器，拓展材料加工应用。紧凑尺寸与电效率亦使高功率半导体激光器成热处理、焊接等工业应用宠儿。新材料体系与工艺开发中，拓展应用版图。
制造工艺