半導體雷射（Semiconductor Laser）

半導體雷射（Semiconductor Laser）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

由於半導體雷射為現今科技實際應用的重要光電元件，像是在光纖通信、雷射列印、高密度光儲存、條碼掃瞄等皆需要應用到半導體雷射，還有其他包含顯示、娛樂、軍事、照明、生醫等方面也是需要用到半導體雷射，因此半導體雷射的發展成為現今最重要的光電元件之一。目前半導體雷射發光波長包含了藍紫外光、可見光、近紅外光和遠紅外光的範圍。此外，頻譜兩端的範圍也是半導體雷射發光波長的研究方向，往更短的紫外光波長以及進入兆赫波的範圍。

雷射基本上由四大部分組成。(1)增益介質：具有將在此介質中傳播的電磁波強度放大功能；(2)光學共振腔：提供電磁波回饋的機制以儲存能量；(3)增益介質的泵浦系統：提供能量給增益介質，使增益介質具有放大波強度的能力；(4)輸出耦合：將光學共振腔中的雷射光輸出到共振腔外，形成可以用來利用的雷射光。

半導體的核心在於p-n接面，即p-type與n-type的接面，因此半導體雷射又被稱為雷射二極體。以p-n雙異質接面為例，當外加偏壓為零時，電子與電洞在各層中呈現熱平衡狀態，費米能階呈現水平，亦即表示電子與電洞不會在各層之間移動。當此p-n接面受到外加的順向偏壓時，電子與電洞的能量將會逐步克服原本平衡狀態下的接面能障而擴散到主動層中，當外加偏壓約為主動層的能隙大小除以電子電量時，電子與電洞可大量注入主動層中，而主動層內的載子分佈已不處於熱平衡狀態，因此載子分佈改由兩個準費米能階所描述，而此兩個準費米能階之間的能量差異約為主動層能隙。儘管電子與電洞可大量的由n型披覆層與p型披覆層注入主動層，但雙異質結構的能帶構造卻可以阻止電子或電洞進一步往p型或n型披覆層擴散，使得電子與電洞被侷限在主動層中，有效的提升電子與電洞復合的機率，而電子與電洞復合後，所放出的光子能量即約為主動層能隙大小。

參考資料：半導體雷射導論