激光二極管(Laser Diode，簡稱LD)是一種通過電流激發(fā)產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體器件。以下是激光二極管的一些關(guān)鍵概念和特點：

基本原理

激光二極管通過半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和受激輻射原理來產(chǎn)生激光?；静襟E包括：

載流子注入：通過施加電壓，將電子注入到半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶中，同時將空穴注入到價帶中。

復(fù)合和受激輻射：注入的電子和空穴在活性層中復(fù)合，釋放出光子。當這些光子與其他電子復(fù)合時，會引發(fā)更多的受激輻射，從而放大光子數(shù)量。

光學(xué)反饋和諧振腔：激光二極管通常包含一個諧振腔，用來提供光學(xué)反饋，使得光子在腔內(nèi)來回反射，從而形成相干光輸出。

二極管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與材料

半導(dǎo)體，這種導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)，是二極管的關(guān)鍵組成部分。鐵、金等金屬屬于導(dǎo)體，而橡膠、玻璃等則屬于絕緣體。半導(dǎo)體材料，如硅(Si)，則可以通過控制其導(dǎo)電性來調(diào)節(jié)電流的流動。此外，它還能在光能和電能之間實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

硅，作為最典型的半導(dǎo)體材料，在自然界中以硅石(SiO2)的形式存在，是一種資源豐富的材料。盡管硅原本是絕緣體，但通過摻雜其他雜質(zhì)，如硼或磷，可以增加其內(nèi)部的載流子濃度，進而提升其電導(dǎo)率。這樣通過雜質(zhì)摻雜來增加載流子的半導(dǎo)體被稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。其中，增加自由電子的被稱為n型半導(dǎo)體，而增加自由空穴的則被稱為p型半導(dǎo)體。

二極管的元件結(jié)構(gòu)是基于p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的連接，即pn結(jié)。在二極管中，p型半導(dǎo)體的引腳被稱為陽極，而n型半導(dǎo)體的引腳則被稱為陰極，電流從陽極流向陰極。

二極管的發(fā)光原理

當在pn結(jié)元件上施加正向電壓時，空穴(帶正電)和電子(帶負電)會朝向結(jié)點方向移動并發(fā)生結(jié)合。在這一過程中，產(chǎn)生的多余能量會以光能的形式釋放，進而實現(xiàn)發(fā)光。這一現(xiàn)象被稱作“復(fù)合發(fā)光”。

接下來，我們借助pn結(jié)的能帶圖來詳細剖析載流子的移動過程。在未施加偏壓時，pn結(jié)的狀態(tài)如圖示(左)所示，而施加正向偏壓后，其狀態(tài)則變?yōu)閳D示(右)所示。當pn結(jié)受到正向電壓的作用時，其處的能量勢壘高度會有所降低。隨之，n型區(qū)中的多數(shù)載流子——電子，會穿越這個降低的能量勢壘，進入p型區(qū)，并與p型區(qū)中的多數(shù)載流子——空穴發(fā)生復(fù)合。在這一復(fù)合過程中，產(chǎn)生的多余能量會以光能的形式被釋放出來。同時，p型區(qū)中的空穴也會移動至n型區(qū)，并與n型區(qū)中的電子復(fù)合，同樣地，這一復(fù)合也會釋放出多余的光能。

導(dǎo)帶與價帶之間的能量差異，即“帶隙”，是半導(dǎo)體材料中一個重要的概念。當電子從能量較高的導(dǎo)帶躍遷至能量較低的價帶，并與空穴結(jié)合時，這個帶隙的能量會以光子的形式釋放，這就是我們所說的半導(dǎo)體發(fā)光。這種發(fā)光現(xiàn)象在許多應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，如顯示屏、照明設(shè)備等。

激光二極管，一種基于半導(dǎo)體材料的發(fā)光器件，其性能和特性深受所選材料的影響。與普通二極管所采用的硅材料不同，激光二極管更傾向于使用化合物半導(dǎo)體，這顯著提高了其發(fā)光效率。正是這種選材差異，使得激光二極管在波長、發(fā)光效率以及工作溫度等方面展現(xiàn)出獨特的特性。接下來，我們將深入探討激光二極管所采用的化合物半導(dǎo)體的作用及其特點。

化合物半導(dǎo)體在激光二極管中的應(yīng)用

普通二極管元件多采用硅(Si)作為材料，而激光二極管則更傾向于選擇化合物半導(dǎo)體。由于硅的發(fā)光躍遷概率較低，即電流轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾男什桓撸虼怂⒉贿m合用于激光二極管和LED這類發(fā)光器件。相反，激光二極管和LED所采用的發(fā)光半導(dǎo)體，被稱為“直接躍遷型半導(dǎo)體”，其電子在導(dǎo)帶與價帶之間的躍遷是直接的，從而提高了發(fā)光效率。

直接躍遷與間接躍遷的對比

在半導(dǎo)體中，電子會從能量較高的導(dǎo)帶躍遷至能量較低的價帶。這種躍遷有兩種類型：直接躍遷和間接躍遷。直接躍遷型半導(dǎo)體的電子躍遷過程更為直接，因此發(fā)光效率更高;而間接躍遷型半導(dǎo)體的電子則需要經(jīng)過晶格的輔助才能完成躍遷，其發(fā)光效率相對較低。正是這種差異，使得激光二極管在材料選擇上更偏向于直接躍遷型半導(dǎo)體，從而確保其具有出色的發(fā)光性能。

A)直接躍遷型半導(dǎo)體

在半導(dǎo)體中，當電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶時，如果導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)牟〝?shù)k相同，則該半導(dǎo)體被稱為“直接躍遷型半導(dǎo)體”。這種躍遷過程中，電子無需經(jīng)過晶格的輔助，便能直接釋放出帶隙Eg的能量，以光子的形式發(fā)出，進而躍遷至價帶與空穴復(fù)合。這使得直接躍遷型半導(dǎo)體具有極高的發(fā)光效率，非常適合作為激光二極管和LED的材料。典型的直接躍遷型半導(dǎo)體包括GaAs/AlGaAs、GaAlP/InGaAlP以及GaN/InGaN等化合物半導(dǎo)體。

B)間接躍遷型半導(dǎo)體

相比之下，如果導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)牟〝?shù)k不同，則該半導(dǎo)體被稱為“間接躍遷型半導(dǎo)體”。在這種躍遷過程中，電子會發(fā)射或吸收聲子(晶格振動的量子)，導(dǎo)致波數(shù)k發(fā)生變化。這種變化使得光子的發(fā)射概率降低，從而影響了發(fā)光效率。因此，間接躍遷型半導(dǎo)體并不適合用于發(fā)光器件。典型的間接躍遷型半導(dǎo)體包括Si和Ge。

波長范圍與調(diào)整方法

激光二極管和LED所采用的化合物半導(dǎo)體，其發(fā)光波長可以根據(jù)材料組成和比例進行靈活調(diào)整。基本發(fā)光波長取決于有源層中半導(dǎo)體的載流子復(fù)合時的帶隙能量。通過調(diào)整帶隙能量，可以實現(xiàn)對激光二極管和LED發(fā)光波長的精確控制。這種靈活性使得化合物半導(dǎo)體在光電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

激光二極管和LED等所采用的化合物半導(dǎo)體，是通過在特定半導(dǎo)體材料(即襯底)上，利用外延生長技術(shù)制備出pn結(jié)的薄膜結(jié)晶來制作的。為了確保薄膜晶體的優(yōu)質(zhì)堆疊，半導(dǎo)體襯底與各結(jié)晶層之間的晶格常數(shù)必須相匹配。在材料選擇過程中，除了考慮帶隙能量這一關(guān)鍵因素外，晶格常數(shù)的匹配性也是不可或缺的考量因素。

上圖揭示了III-V族化合物半導(dǎo)體中，晶格常數(shù)與帶隙能量(即波長)之間的緊密聯(lián)系。通常，帶隙能量較高的材料會擁有較小的晶格常數(shù)，反之則晶格常數(shù)較大。這一圖表清晰地展示了III-V族化合物半導(dǎo)體在理論上能夠支持從紫外光到可見光，再到紅外光的廣泛光譜范圍。例如，當在GaAs襯底上生長GaInP的pn結(jié)時，由于晶格常數(shù)的高度匹配，可以獲得大約650nm的特定發(fā)光波長。

接下來，我們探討發(fā)光顏色與波長的關(guān)系。LED的發(fā)光波長范圍寬廣，而激光二極管則能發(fā)出波長幾乎不變的單一顏色光。世界上存在著各種波長的激光，其中那些肉眼可見的光波被稱為“可見光”。其典型的波長包括：

可見光，即人眼可以感知的光譜范圍，涵蓋了多種材料和相應(yīng)的發(fā)光顏色。激光二極管，作為半導(dǎo)體激光器的核心部件，其關(guān)鍵材料包括砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)和磷化銦(InP)。砷化鎵是最為常見的激光二極管材料，具有廣泛的波長覆蓋能力，且半導(dǎo)體制造技術(shù)已相當成熟，使得其性能卓越。氮化鎵則因能高效開發(fā)藍光LED和高功率UV LED而聲名遠揚。而磷化銦則被廣泛應(yīng)用于高速通信領(lǐng)域以及近紅外激光二極管的制造中。

激光二極管和LED的區(qū)別

將激光二極管和LED的區(qū)別匯總在了下表中。

由于激光二極管的譜寬是狹窄單一的波長、相位整齊、指向性高的光，因此具備容易控制能量的特征。

激光二極管的特點和用途

激光二極管的用途示例

激光二極管充分利用直進性、微小光斑尺寸 (數(shù)um～)、單色性、高光密度、相干性 (coherent) 這些特點，被用在各種應(yīng)用上面。

最近，運動傳感器、HDD熱輔助磁性記錄、照明(投影儀、前照燈)上也在使用。

下表中匯總了按激光二極管的功能分類的用途示例。