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任九:半导体激光器发展飞快,一文了解其原理、技术、应用和现状

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自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。



那么,半导体激光器究竟是什么呢?它的制作技术和原理是怎么样的?有哪些应用?目前,国内外的发展现状是怎么样的……带着一系列的问题,我们一起来看看吧!


半导体激光器的定义


激光器是能发射激光的装置,激光器——能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器,获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围,1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后,激光器的种类就越来越多。


激光器可以分为可调谐激光器、单模激光器、液体激光器、数字激光器四大类


半导体激光器也称为半导体激光二极管,或简称激光二极管(LaserDiode,LD)。因为半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材猜中电子运动规律的特殊性,使半导体激光器的作业特性具有其特殊性。


半导体激光器是以一定的半导体材料做作业物质而发生受激发射作用的器材。其作业原理是经过一定的鼓励方法,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,完成非平衡载流子的粒子数回转,当处于粒子数回转状态的大量电子与空穴复合时,便发生受激发射作用。半导体激光器的鼓励方法主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束鼓励式。


电注入式半导体激光器,一般是由砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行鼓励,在结平面区域发生受激发射。光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做作业物质,以其他激光器宣布的激光作光泵鼓励.高能电子束鼓励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶如PbS,CdS,ZhO等)做作业物质,经过由外部注入高能电子束进行鼓励。在半导体激光器材中,功能较好,使用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。


半导体激光器波长覆盖规模为紫外至红外波段(300nm~十几微米),其中1.3um与1.55um为光纤传输的两个窗口。半导体激光器具有能量转化效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简略、使用寿命才长等杰出特色,使其成为重要具使用价值的一类的激光器。


半导体激光器的制作技术


半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 Pn 结或 Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。


半导体激光器的激励方式主要有三种:即电注入式 、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给 Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射 ,也就是说是个正向偏置的二极管 。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁 ,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3~34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙 ,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750~890nm。



激光器结构示意图


半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。


半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进 ,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在 21 世纪的信息社会中将取得更大的进展,发挥更大的作用。


半导体激光器的工作原理


半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件 :


1、增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带 ,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间 ,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现, 将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去 。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时 ,便产生受激发射作用。


2、要实际获得相干受激辐射 ,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡,激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的,通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜,而出光面镀上减反膜。对F—p 腔(法布里—珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与 p-n结平面相垂直的自然解理面构成F-p腔。


3、为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗,不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入,即有足够的粒子数反转,粒子数反转程度越高,得到的增益就越大,即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时,具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大,最后形成激光而连续地输出。可见在半导体激光器中,电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言,人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪,科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点,而GaInN 量子点已用于半导体激光器。


半导体激光器的发展历史


20 世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器,它是在一种材料上制作的 pn 结二极管。在正向大电流注入下电子不断地向 p区注入,空穴不断地向n区注入。于是 ,在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转, 由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快, 在有源区发生辐射、复合,发射出荧光,在一定的条件下发生激光 ,这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器, 它是由两种不同带隙的半导体材料薄层 ,如GaAs, GaAlAs 所组成, 最先出现的是单异质结构激光器(1969 年)。单异质结注入型激光器(SHLD)GaAsP -N 结的 p 区之内 ,以此来降低阀值电流密度, 其数值比同质结激光器降低了一个数量级, 但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作 。


从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显向着两个方向发展 , 一类是以传递信息为目的的信息型激光器,另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器 。在泵浦固体激光器等应用的推动下,高功率半导体激光器(连续输出功率在100mw以上,脉冲输出功率在 5W 以上,均可称之谓高功率半导体激光器)。


在 20 世纪90年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出已达到 600W。如果从激光波段的被扩展的角度来看,先是红外半导体激光器,接着是 670nm 红光半导体激光器大量进入应用,接着,波长为650nm、635nm的问世 ,蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功,10mW 量级的紫光乃至紫外光半导体激光器,也在加紧研制中。20世纪90年代末,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展,且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。980nm、850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。目前,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。


半导体激光器的应用


半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器 ,由于它的波长范围宽, 制作简单、成本低、易于大量生产,并且由于体积小 、重量轻、寿命长,因此,品种发展快,应用范围广,目前已超过300种 。


1、在产业和技术方面的应用


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1)光纤通信。半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化光源,光纤通信已成为当代通信技术的主流。


2) 光盘存取。半导体激光已经用于光盘存储器,其最大优点是存储的声音、文字和图象信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密。


3) 光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析,监测大气污染、汽车尾气等。在工业上可用来 监测气相淀积的工艺过程。


4) 光信息处理。半导体激光器已经用于光信息理系统。表面发射半导体激光器 二 维阵列是光并行处理系统的理想光源,将用于计算机和光神经网络。


5) 激光微细工。借助于Q开关半导体激光器产生的高能量超短光冲,可对集成电路进行切 割、打孔等。


6) 激光报警器。半导体激光报警器用途 甚广,包括防盗报警、水位报警、车距 报警等。


7) 激光打印机。高功率半导体激光器已经用于激光打印机。采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分辨率。


8) 激光条码扫描器。半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售,以及图书和档案的管理。


9) 泵浦固体激光器。这是高功率半导体激光器的一个重要应用,采用它来取代原来的氛灯,可以构成全固态激光系统。


10) 高清晰度激光电视。不久的将来,没有阴极射线管的半导体激光电视机可以投放市场,它利用红、蓝、绿三色激光,估计其耗电量比现有的电视机低20%。


2、在医疗和生命科学研究方面的应用


1)激光手术治疗。半导体激光已经用于软组织切除,组织接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等,均广泛地采用了这项技术。


2)激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性的光敏物质有选择地聚集于癌组织内,通过半导体激光照射,使癌组织产生活性氧,旨在使其坏死而对健康组织毫无损害。


3)生命科学研究。使用半导体激光的“光镊”,可以扑捉活细胞或染色体并移至 任意位置,已经用于促进细胞合成,细胞相互作用等研究,还可以作为法医取证的诊断技术。


国内外半导体激光器产业发展现状


半导体激光产业已经成为整个激光产业的基石,而激光产业也已经成为人类社会生活不可分割的一部分。据统计,2019 年全球激光器的销售额预计将维持 6% 的增长速度,达到 146 亿美元。其中半导体激光器的市场规模(包括直接的半导体激光器,也包括固体激光器与光纤激光器的泵浦源)约为 68.8 亿美元,占激光器整体市场的 50% 左右,年增长率约为 15% 。


以现有产业结构来看,整个行业主要包括材料、芯片、器件、模块、系统等几个应用节点,但无论是上游的材料和芯片产业还是中下游的器件、模块、系统产业无疑都是技术密集和资金密集型产业,需要大量的技术沉淀积累和巨额的资金投入。


经过数十年的发展,国外市场客户对产品的成本控制、器件性能的要求越来越全面,对产品的筛选也越来越严格,近年来,受到这些因素的影响,行业的发展出现了一些新的趋势。


从应用角度来讲,半导体激光器产品正在从工业应用领域向消费应用领域扩展,其市场规模可能迎来爆发性的增长,但竞争也将进一步加剧。2018 年苹果手机中采用 Lumentum 公司的垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为传感光源是这一趋势的标志性事件。后者通过在消费电子产业的深耕,带动和引导了市场的发展方向,利用创新的应用,在技术先进性不占优势的情况下,改变了与 II-VI、Finisar 等公司的竞争格局。


从半导体激光器从业企业的角度看,其竞争态势与 20 世纪 90 年代的微电子行业有一定的类似之处。都经历了从中小型企业自由竞争,到通过合并重组产生的“巨无霸”型公司分割市场的竞争路线。如本来在产业界就占优势地位的 Lumentum 与Oclaro 公司的合并以及 II-VI 与 Finisar 公司的重组,势必对产业内其他中小型企业的生存现状产生严重影响。


近年来新形式的半导体激光器公司也获得了巨大发展,包括大型集成设计制造(IDM)公司,代工(Foundry)企业,无生产线(Fabless)公司等。


IDM 模式(垂直集成)公司,实际上是进行半导体激光器生产的应用系统公司,以半导体激光器产品为其核心竞争力,但并不以它为最终产品形态。以 IPG 光电子公司、相干激光公司(Coherent)等固体激光、光纤激光和激光加工企业为代表。他们大多通过并购或自行发展,在企业内部实现了从材料、芯片、器件、模块、系统的完整集成。最早实现“垂直集成”的 IPG 公司据此奠定了在光纤激光器领域的绝对优势地位,尽管有多余的生产能力,但半导体激光器甚至不作为产品出售。


Foundry 企业主要从事外延和芯片工艺方面的工作。外延方面包括英国 IQE、美国英特磊科技有限公司(IntelliEpi)、台湾省全新光电、日本的住友化学。其中 IQE 所占据的整个外延芯片市场份额已达到 60%,与 VCSEL 应用相对应的市场份额已达到 80%。芯片工艺方面,台湾省的稳懋、宏捷科、GCS 环宇占整个芯片代工市场 90% 的市场份额。这类公司具备强大的专项能力和成本控制水平,可以助力客户实现良好的成本和性能控制。


Fabless 企业本身只从事半导体激光器设计和封装测试等工作,而委托 Foundry 进行生产。这类企业以中小型为主,但有些大型企业也会以类似的方式将生产进行外包,甚至向 Fabless 企业转换,从而降低整体运营成本。如 Lumentum 尽管本身具有垂直整合能力,但其 VCSEL 的设计和生产主要由IQE 和稳懋(WIN)代工完成;而 Avago 则将芯片工艺部分进行了剥离,将其位于科罗拉多的工厂出售给了台湾地区的稳懋,而入股该公司,成为了该公司的第三大股东,生产也委托给稳懋进行。


通常来讲,IDM 公司的半导体激光器在性能和可塑性上更具优势;而通过 Foundry 与 Fabless 企业的组合可以将产品成本控制得更低。


从半导体激光器产业与上下游产业的关系来看,其产业带动能力强、先发效应明显,在产品中的性能比重远大于其价格比重。半导体激光器是系统应用的核心竞争力,对器件的功能和可靠性的系统验证又需要长时间、大样本量的闭环优化,试错成本高,形成了较高的“门槛”。在半导体激光器产业成熟的这一过程中,领先者与追赶者的差距被进一步拉大。这是我国相关行业发展初期所面临的主要问题,尤其在中美贸易战爆发以后,这一问题得到了更充分的暴露。


近年来国家有针对性地对核心芯片进行了大力扶持,在人才和技术储备方面获得了一定的基础,先发效应的影响得到了一定程度的缓解,但各种措施的真正见效,仍然需要一个过程。


我国半导体激光器产业的发展,前弱后强的现象十分严重。在下游系统行业,已经涌现出如华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司等行业领导企业,光模块企业也有苏州旭创科技有限公司等先进企业可以在国际上与同行进行竞争。然而,在上游的光芯片环节,我国相关企业的研发和生产能力极为不足,材料方面则更甚,相关企业规模均以中小型为主,从实力上难以与国外产品竞争。尽管政府的管理和支持热情很高,但由于非业内人员对芯片行业的认识不足,同质化严重,缺乏耐心和顶层设计,难以形成良好的产业链。整个产业处于有前景的产品无法获得市场,市场资金不愿支持技术开发的恶性循环中。某些成功的系统企业认识到了这一问题,进行了垂直产业整合努力,但遇到了较大的困难,进展缓慢。



来源:中国工程院院刊,激光行业观察,机器迷

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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