雷射二極體

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雷射二極體 (Laser diode)
臺中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

所謂雷射二極體是指利用二極體做成的雷射，屬於半導體雷射的一種。目前市面上常用的紅光雷射筆，就是一種雷射二極體。

常見的雷射二極體依照波長來區分，可以分為紅外線雷射、紅光雷射、藍光雷射與綠光雷射。常見的紅外線雷射大多是由砷化鎵(GaAs)所組成、常見的紅光雷射則由砷化鋁鎵(AlGaAs)或磷化鋁鎵銦(InGaAlP)所組成、常見的藍光雷射與綠光雷射則是由氮化銦鎵(InGaN)所組成。

第一具雷射二極體是由美國人霍爾(R. N. Hall)等人所提出來的，它是由砷化鎵 $$pn$$ 二極體所組成，當外加順向偏壓夠大時，接面附近的能帶呈現居量反轉(population inversion)，也就是說傳導帶的電子數多於共價帶，此時如果共振腔中的雷射引發受激輻射(stimulated emission)，造成傳導帶電子與共價帶電洞複合(recombination)，而產生雷射。

雷射二極體也屬於雷射，因此也必須含有雷射三要素:幫浦源(pumping source)、增益介質(gain medium)與共振腔(resonate cavity)。對於雷射二極體而言，直流電源會是理想的幫浦源，甚至對於市面常見的紅光雷射筆，可以用一個或數個乾電池，作為幫浦源。增益介質則是上述所提及的雷射二極體。雷射二極體的共振腔相對於其他雷射是相當特殊的，因為雷射二極體利用自然斷裂面作為共振腔，可以省卻製造過程的時間與成本，又可以有不錯的效果。

雷射二極體的演進過程相當有趣，可以一窺半導體物理演進的一角。最早的雷射二極體是由同一種材料所構成，稱為同質接面雷射二極體(homojunction laser diode)，它的好處是利用相同材料不同摻雜，製作容易。但缺點為 $$pn$$ 接面能隙相差不大，因此無法發出短波長的雷射，實用性低。

後來的人想到利用能隙不同的兩種材料做成異質接面雷射二極體(heterojunction laser diode)，它的優點是能力的不同可以使臨界電流大幅降低。但缺點是 $$pn$$ 兩極的材料不同，容易會因為晶格常數不相同，而使高品質的晶體不易成長。

後來又研究出兩種材料中，夾一種不同材料，因為這時有兩個異質接面，因此又稱為雙異質結構(double heterostructure, DH)。後來又因為要提升電子電洞波函數在空間中重疊率，進而發明出一直沿用到今天的量子井雷射(quantum well laser)。