1. 半导体材料的选择决定激光特性

- 能带结构与波长：半导体材料的禁带宽度决定了激光的波长。例如，砷化镓（GaAs）基材料常用于近红外（如980nm），磷化铟（InP）基材料适用于光纤通信波段（如1310nm、1550nm）。通过调整材料组分（如InGaAsP），可精确调控输出波长。

- 载流子浓度与效率：掺杂技术（如N型/P型掺杂）可控制材料中载流子（电子/空穴）浓度，影响激光的阈值电流和量子效率。低阈值电流意味着更低功耗和更高可靠性。

2. 异质结与量子阱结构提升性能

- 异质结限制载流子与光场：通过不同半导体材料（如GaAs/AlGaAs）形成的异质结，可将载流子限制在有源层，并通过折射率差异约束光场，减少损耗，提高输出功率和效率。

- 量子阱结构增强发光：量子阱（如InGaAs/GaAs）通过纳米级厚度的量子限制效应，显著提升电子-空穴复合效率，降低阈值电流，同时改善光束质量。

3. 微纳加工技术实现高精度结构

- 波导与光栅设计：利用电子束光刻、干法刻蚀等技术制造微纳波导和布拉格光栅（如DFB激光器），实现单模输出和波长稳定性，满足通信、传感等领域的高要求。

- 垂直腔面发射激光器（VCSEL）：通过半导体工艺制作垂直腔结构，实现低阈值、高调制速率和二维阵列集成，广泛用于3D传感（如手机Face ID）。

4. 散热与可靠性优化

- 热导率与封装设计：半导体材料的热导率（如GaAs的热导率较低，需通过散热层设计优化）影响芯片寿命。新型材料（如金刚石散热层）结合半导体工艺可提升散热效率。

- 缺陷控制：分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等先进生长技术减少材料缺陷，降低非辐射复合，延长器件寿命。

5. 集成化与多功能扩展

- 单片集成：通过半导体工艺将激光器、探测器、调制器等集成在同一芯片上（如光电集成芯片），提高系统紧凑性和性能。

- 新型器件开发：量子点/量子线激光器、二维材料（如石墨烯）辅助激光器等前沿技术，利用半导体特性突破传统限制，实现更高效率或更宽波长范围。

实际应用影响

- 通信领域：DFB激光器和VCSEL的发展推动了光纤通信和数据中心的高速传输。

- 医疗与工业：高功率半导体激光器（如980nm泵浦源）用于激光手术和材料加工。

- 消费电子：VCSEL阵列助力3D成像和激光雷达（LiDAR）技术在手机和自动驾驶中的普及。

总结

半导体技术通过材料创新、结构优化和精密制造，持续推动激光芯片向更高效率、更低功耗、更小型化和多功能化发展，成为光电子产业的核心驱动力。未来，随着第三代半导体（如氮化镓、碳化硅）和量子技术的突破，激光芯片性能有望进一步提升。