半導(dǎo)體激光發(fā)生器技術(shù)以及發(fā)展過程

晶體管利用一種稱為半導(dǎo)體的材料的特殊性能.電流由運(yùn)動(dòng)的電子承載.普通的金屬,如銅是電的好導(dǎo)體,因?yàn)樗鼈兊碾娮記]有緊密的和原子核相連,很容易被 一個(gè)正電荷吸引.其它的物體,例如橡膠,是絕緣體--電的不良導(dǎo)體--因?yàn)樗鼈兊碾娮硬荒茏杂蛇\(yùn)動(dòng).半導(dǎo)體,正如它們的名字暗示的那樣,處于兩者之間,它們通常情況下象絕緣體,但是在某種條件下會(huì)導(dǎo)電.

對(duì)半導(dǎo)體的早期研究集中在硅上,但硅本身不能發(fā)射激光1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室的William Schockley,Walter Brattain 和 John Bardeen 發(fā)明的晶體管.這一發(fā)明推動(dòng)了對(duì)其它半導(dǎo)體裁的研究發(fā)展進(jìn)程.它也為利用半導(dǎo)體中的發(fā)射激光奠定了概念性基礎(chǔ).1952年,德國(guó)西門子公司的Heinrich Welker指出周期表第III和第V列之間的元素合成的半導(dǎo)體對(duì)電子裝置有潛在的用途.其中之一,砷化鎵或GaAs,它在尋找一種有效的通訊激光中扮演了重要角色.對(duì)砷化鎵（GaAs）的研究涉及到三個(gè)方面的研究：高純度晶體的疊層成長(zhǎng)的研究,對(duì)缺陷和摻雜劑（對(duì)一種純物質(zhì)添加雜質(zhì),以改變其性能）的研究以及對(duì)熱化合物穩(wěn)定性的影響的分析.有了這些研究成果,通用電器,IBM和麻省理工大學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室的研究小組在1962年研制出砷化鎵（GaAs）激光發(fā)生器.

但是有一個(gè)老問題始終懸而未決：過熱.使用單一半導(dǎo)體,（通常是GaAs）的激光發(fā)生器效率不是很高.它們?nèi)孕璐罅康碾妬砑ぐl(fā)激光作用,而在正常的室溫下,這些電很快就使它們過熱.只有脈沖操作才有可能避免過熱（脈沖操作：電路或設(shè)備在能源以脈沖方式提供時(shí)的工作方式）,可是通過這種工作方式不能通訊傳輸.科學(xué)家們嘗試了各種方法來驅(qū)熱一例如把激光發(fā)生器放在其它好的熱導(dǎo)體材料上,但是都沒成功.然后在1963年,克羅拉多大學(xué)的Herbert Kroemer提出了一種不同的的方式--制造一個(gè)由半導(dǎo)體"三明治"組成的激光發(fā)生器,即把一個(gè)薄薄的活躍層嵌在兩條材料不同的板之間.把激光作用限制在薄的活躍層里只需要很少的電流,并會(huì)使熱輸出量保吃持在可控范圍之內(nèi). 

這樣一種激光發(fā)生器不是只靠象把奶酪夾在兩片面包那樣,簡(jiǎn)單地塞進(jìn)一個(gè)活躍層就能制造出來的.半導(dǎo)體晶體中的原子以點(diǎn)陣的方式排列,由電子組成化學(xué)鍵.要想制造出一個(gè)在兩個(gè)原子之間有必要電子鍵連接的多層半導(dǎo)體,這個(gè)裝置必須是由一元半導(dǎo)體單元組成,我們稱之為多層晶體. 

1967年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中幾個(gè)鋁原子代替一些鎵,一種稱為"摻雜"的過程--來創(chuàng)造一種合適的多層晶體的可能性的建議.這種修改型的化合物,AlGaAs, 的原子間隔和GaAs相差不到1000分之一.研究人員提出,把AlGaAs種植在GaAs 薄層的任何一邊,它都會(huì)把所有的激光作用限制在GaAs層內(nèi).在他們面前,還要有幾年的工作,但是通向"不間斷狀態(tài)" 激光發(fā)生器-在室溫下仍能持續(xù)工作的微型半導(dǎo)體裝置-的大門已經(jīng)敞開了.