半导体激光器解析
半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。晶体管利用一种称为半导体的材料的特殊性能。电流由运动的电子承载。普通的金属，如铜是电的好导体，因为它们的电子没有紧密的和原子核相连，很容易被一个正电荷吸引。其它的物体，例如橡胶，是绝缘体 --电的不良导体--因为它们的电子不能自由运动。半导体，正如它们的名字暗示的那样，处于两者之间，它们通常情况下象绝缘体，但是在某种条件下会导电。对半导体的早期研究集中在硅上，但硅本身不能发射激光。1948年贝尔实验室的William Schockley，Walter Brattain 和 John Bardeen 发明的晶体管。这一发明推动了对其它半导体裁的研究发展进程。它也为利用半导体中的发射激光奠定了概念性基础。1952年，德国西门子公司的 Heinrich Welker指出周期表第III和第V列之间的元素合成的半导体对电子装置有潜在的用途。其中之一，砷化镓或GaAs，它在寻找一种有效的通讯激光中扮演了重要角色。对砷化镓（GaAs）的研究涉及到三个方面的研究：高纯度晶体的叠层成长的研究，对缺陷和掺杂剂（对一种纯物质添加杂质，以改变其性能）的研究以及对热化合物稳定性的影响的分析。有了这些研究成果，通用电器，IBM和麻省理工大学林肯实验室的研究小组在1962年研制出砷化镓（GaAs）激光发生器。但是有一个老问题始终悬而未决：过热。使用单一半导体，（通常是GaAs）的激光发生器效率不是很高。它们仍需大量的电来激发激光作用，而在正常的室温下，这些电很快就使它们过热。只有脉冲操作才有可能避免过热（脉冲操作：电路或设备在能源以脉冲方式提供时的工作方式），可是通过这种工作方式不能通讯传输。科学家们尝试了各种方法来驱热一例如把激光发生器放在其它好的热导体材料上，但是都没成功。然后在 1963年，克罗拉多大学的Herbert Kroemer提出了一种不同的的方式--制造一个由半导体"三明治"组成的激光发生器，即把一个薄薄的活跃层嵌在两条材料不同的板之间。把激光作用限制在薄的活跃层里只需要很少的电流，并会使热输出量保吃持在可控范围之内。这样一种激光发生器不是只靠象把奶酪夹在两片面包那样，简单地塞进一个活跃层就能制造出来的。半导体晶体中的原子以点阵的方式排列，由电子组成化学键。要想制造出一个在两个原子之间有必要电子键连接的多层半导体，这个装置必须是由一元半导体单元组成，我们称之为多层晶体。 1967年，贝尔实验室的研究员Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中几个铝原子代替一些镓，一种称为"掺杂"的过程-- 来创造一种合适的多层晶体的可能性的建议。这种修改型的化合物，AlGaAs, 的原子间隔和GaAs相差不到1000分之一。研究人员提出，把 AlGaAs种植在GaAs 薄层的任何一边，它都会把所有的激光作用限制在GaAs层内。在他们面前，还要有几年的工作，但是通向"不间断状态" 激光发生器-在室温下仍能持续工作的微型半导体装置-的大门已经敞开了。还有一个障碍：怎样发射跨过长距离的光信号。长波无线电波可以很容易穿透浓雾和大雨，在空气中自由传播，但是短波激光会被空气中的水蒸气和其它颗粒反射回来，以至于不是被分散就是被阻挡住。一个多雾的天气会使激光通讯联络终断，因此光需要一个类似于电话线的导管。
试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗？那将是一个混乱的世界，无论是你的手机号码、你的身份证号码、还是你家的门牌号，这些全部都是用数字表达的！电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光盘、网络会议、远程教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和互联网的出现让人们有了更大的想象和施展的空间，我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来，音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受，数字化被我们随身携带着，从而拥有了更加多变的视听新感受，音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……
数字生活已成为信息化时代的特征，它改变着人类生活的方方面面，在此背后，隐藏着新材料的巨大功勋，新材料是数字生活的“幕后英雄”。
计算机是数字生活中的重要设备，计算机的核心部件是中央处理器（CPU）和存储器（RAM），它们是以大规模集成电路为基础建造起来的，而这些集成电路都是由半导体材料做成的，Si片是第一代半导体材料，集成电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使集成电路具有高效率、低能耗、高速度的性能，相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI（Silicon On Insulator）等新型硅基材料、超晶格量子阱材料可制作高温（300~500°C）、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件，从而大幅度地提高原有硅集成电路的性能，是未来半导体材料的重要发展方向。
人机交换，常常需要将各种形式的信息，如文字、数据、图形、图像和活动图像显示出来。静止信息的显示手段最常用的如打印机、复印机、传真机和扫描仪等，一般称为信息的输出和输入设备。为提高分辨率以及输入和输出的速度，需要发展高灵敏度和稳定的感光材料，例如激光打印机和复印机上的感光鼓材料，目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动图像信息的主要部件是阴极射线管（CRT），广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上，CRT目前采用的电致发光材料，大都使用稀土掺杂（Tb3+、Sn3+、Eu3+等）和过渡元素掺杂（Mn2+）的硫化物（ZnS、CdS等）和氧化物（Y2O3、YAlO3）等无机材料。
为了减小CRT庞大的体积，信息显示的趋势是高分辨率、大显示容量、平板化、薄型化和大型化，为此主要采用了液晶显示技术（LCD）、场致发射显示技术（FED）、等离子体显示技术（PDP）和发光二极管显示技术（LED）等平板显示技术，广泛应用在高清晰度电视（HDTV）、电视电话、计算机（台式或可移动式）显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上，CRT不再是一支独秀，而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。
在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、笔记本电脑、摄像机中得到应用，液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料，后来发展了铁电型（FE）液晶，响应时间在微秒级，但铁电液晶的稳定性差，只能用分支法（side-chain）来改进。目前趋向开发反铁电液晶，因为它们的稳定性较高。
液晶显示材料在大屏幕显示中有一定的困难，目前作为大屏幕显示的主要候选对象为等离子体显示器（PDP）和发光二极管（LED）。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料，推动场发射显示（FED）的发展。制作高亮度发光二极管的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。
由于因特网和多媒体技术的迅速发展，人类要处理、传输和存储超高信息容量达太（兆兆）数字位（Tb，1012bits），超高速信息流每秒达太位（Tb/s），可以说人类已经进入了太位信息时代。现代的信息存储方式多种多样，以计算机系统存储为例，存储方式分为随机内存储、在线外存储、离线外存储和脱机存储。随机内存储器要求集成度高、数据存取速度快，因此一直以大规模集成的微电子技术为基础的半导体动态随机存储器（DRAM）为主，256兆位的随机动态存储器的晶体管超过2亿个。外存储大都采用磁记录方式，磁存储介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁盘和硬磁盘。磁存储密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进，相继采用了磁性氧化物（如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等）、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料，磁存储的信息存储量从而有了很大的提高。固体（闪）存储器（flash memory）是不挥发可擦写的存储器，是基于半导体二极管的集成电路，比较紧凑和坚固，可以在内存与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料，如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻（GMR）材料，在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成，其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料，在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜，导电层为数nm的铜薄膜，钉扎层为数nm的软磁Co合金，磁化固定层用5～40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体，并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了近二十倍，因此巨磁阻效应的研究对发展磁存储有着非常重要的意义。
声视领域内激光唱片和激光唱机的兴起，得益于光存储技术的巨大发展，光盘存贮是通过调制激光束以光点的形式把信息编码记录在光学圆盘镀膜介质中。与磁存储技术相比，光盘存储技术具有存储容量大、存储寿命长；非接触式读/写和擦，光头不会磨损或划伤盘面，因此光盘系统可靠，可以自由更换；经多次读写载噪比（CNR）不降低。光盘存储技术经过CD（Compact Disk）、DVD（Digital Versatile Disk）发展到将来的高密度DVD（HD-DVD）、超高密度DVD（SHD-DVD）过程中，存储介质材料是关键，一次写入的光盘材料以烧蚀型（Tc合金薄膜，Se-Tc非晶薄膜等）和相变型（Te-Ge-Sb非晶薄膜、AgInTeSb系薄膜、掺杂的ZnO薄膜、推拉型偶氮染料、亚酞菁染料）为主，可擦重写光盘材料以磁光型（GdCo、TeFe非晶薄膜、BiMnSiAl薄膜、稀土掺杂的石榴石系YIG、Co-Pt多层薄膜）为主。光盘存储的密度取决于激光管的波长，DVD盘使用的InGaAlP红色激光管（波长650nm）时，直径12cm的盘每面存储为4.7千兆字节（GB），而使用ZnSe（波长515nm）可达12GB，将来采用GaN激光管（波长410nm），存储密度可达18GB。要读写光盘里的信息，必须采用高功率半导体激光器，所用的激光二极管采用化合物半导体GaAs、GaN等材料。
激光器除了在光盘存储应用之外，在光通信中的作用也是众所周知的。由于有了低阈值、低功耗、长寿命及快响应的半导体激光器，使光纤通信成为现实。光通讯就是由电信号通过半导体激光器变为光信号，而后通过光导纤维作长距离传输，最后再由光信号变为电信号为人接收。光纤所传输的光信号是由激光器发出的，常用的为半导体激光器，所用材料为GaAs、GaAlAs、GaInAsP、InGaAlP、GaSb等。在接受端所用的光探测器也为半导体材料。缺少光导纤维，光通信也只能是“纸上谈兵”。低损耗的光学纤维是光纤通信的关键材料，目前所用的光学纤维传感材料主要有低损耗石英玻璃、氟化物玻璃和Ga2S3为基础的硫化物玻璃和塑料光纤等，1公斤石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆。光纤通信的出现是信息传输的一场革命，信息容量大、重量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强，是光纤通信的优点。光纤通信的高速发展为现代信息高速公路的建设和开通起到了至关重要的作用。
除了有线传播外，信息的传播还采用无线的方式。在无线传播中最引人注目的发展是移动电话。移动电话的用户愈多，所使用的频率愈高，现在正向千兆周的频率过渡，电话机的微波发射与接收亦是靠半导体晶体管来实现，其中部分Si晶体管正在被GaAs晶体管所取代。在手机中广泛采用的高频声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）及体声波BAW（Bulk Surface Acoustic Wave）器件中的压电材料为a-SiO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、KNbO3、La3Ga5SiO14等压电晶体及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速薄膜材料,采用的微波介质陶瓷材料则集中在BaO-TiO2体系、BaO-Ln2O3-TiO2（Ln=La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd）体系、复合钙钛矿A（B1/3B￠2/3）O3体系（A=Ba,Sr；B=Mg,Zn,Co,Ni,Mn；B￠=Nb,Ta）和铅基复合钙钛矿体系等材料上。
随着智能化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大，以及手持电话、掌上电脑PDA、笔记本电脑和其它便携式信息及通信设备的迅速普及，进一步带动了温度传感器和热敏电阻的大量需求，负温度系数（NTC）热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等金属氧化物混合烧结而成，其阻值随温度的升高呈指数型下降，阻值-温度系数一般在百分之几，这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。正温度系数（PTC）热敏电阻一般都是由BaTiO3材料添加少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的，这种材料在温度上升到居里温度点时，其阻值会以指数形式陡然增加，通常阻值-温度变化率在20~40%之间。前者大量使用在镍镉、镍氢及锂电池的快速充电、液晶显示器（LCD）图像对比度调节、蜂窝式电话和移动通信系统中大量采用使用的温度补偿型晶体振荡器等中，来进行温度补偿，以保证器件性能稳定；此外还在计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机、打印机的打印头、软盘的伺服控制器和袖珍播放机的驱动器等中，发现它的身影。后者可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟、防止笔记本电脑常效应管（FET）的热击穿等。
为了保证信息运行的通畅，还有许多材料在默默地作着贡献，例如，用于制作绿色电池的材料有：镍氢电池的正、负极材料用MH合金和Ni(OH)2材料、锂离子电池的正、负极用LiCoO2、LiMn2O4和MCMB碳材料等电极材料；移动电话、PC机以及诸如数码相机、MD播放机/录音机、DVD设备和游戏机等数字音/视频设备等中钽电容器所用材料；现代永磁材料Fe14Nd2B在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有十分重要的用途；印刷电路板（PCB）及超薄高、低介电损耗的新型覆铜板（CCL）用材料；环氧模塑料、氧化铝和氮化铝陶瓷是半导体和集成电路芯片的封装材料；集成电路用关键结构与工艺辅助材料（高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等），不一而足，这些在浩瀚的材料世界里星光灿烂的新材料，正在数字生活里发挥着不可或缺的作用。
随着科技的发展，大规模集成电路将迎来深亚微米（0.1mm）硅微电子技术时代，小于0.1mm的线条就属于纳米范畴，它的线宽就已与电子的德布罗意数相近，电子在器件内部的输运散射也将呈现量子化特性，因而器件的设计将面临一系列来自器件工作原理和工艺技术的棘手问题，导致常说的硅微电子技术的“极限”。由于光子的速度比电子速度快得多，光的频率比无线电的频率高得多，为提高传输速度和载波密度，信息的载体由电子到光子是必然趋势。目前已经发展了许多种激光晶体和光电子材料，如Nd:YAG、Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YLF、Ti:Al2O3、YVO4、Nd:YVO4、Ti:Al2O3、KDP、KTP、BBO、BGO、LBO、LiNbO3、K(Ta,Nb)O3、Fe:KnBO3、BaTiO3、LAP等，所有这些材料将为以光通信、光存储、光电显示为主的光电子技术产业作出贡献。随着信息材料由电子材料、微电子材料、光电子材料向光子材料发展，将会出现单电子存储器、纳米芯片、量子计算机、全光数字计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑等纳米电脑，将会极大地影响着人类的数字生活。
本世纪以来，以数字化通信（Digital Communication）、数字化交换（Digital Switching）、数字化处理（Digital Processing）技术为主的数字化生活（Digital Life）正在向我们招手，一步步地向我们走来——清晨，MP3音箱播放出悦耳的晨曲，催我们按时起床；上班途中，打开随身携带的笔记本电脑，进行新一天的工作安排；上班以后，通过互联网召开网络会议、开展远程教学和实时办公；在下班之前，我们远程启动家里的空调和湿度调节器，保证家中室温适宜；下班途中，打开手机，悠然自在观看精彩的影视节目；进家门前，我们接收网上订购的货物；回到家中，和有线电视台进行互动，观看和下载喜欢的影视节目和歌曲，制作多媒体，也可进入社区互联网，上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙？似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边，随着新一代家用电脑和互联网的出现，如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时，饮水思源，请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界！
