绪论

半导体光电子学是研究半导体中光子与电子相互作用、光能与电能相互转换的一门科学，涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础物理，也关联着半导体光电子材料及其相关器件。因此，半导体光电子学的内涵远超出半导体光学或半导体中的光学性质，即不是简单地研究将光作用到半导体上所产生的物理现象而忽略半导体中电子对光子的反作用和能动性。

早在1873年，史密斯（W.Smith）就在“不良导体”（当时还没有半导体这个名词）硒中看到在光作用下电导增加的现象。1887年赫兹将各种因光而致电的变化现象统称为光电效应。此前也有一些学者发现某些不同于金属导电性质的“不良导体”（如温度升高时其电导反而增加；与金属接触出现单向导电等），至1911年前后才将这种“不良导体”称为半导体。1897年汤姆逊首先发现电子，1905年爱因斯坦又提出光子学说，这一对并行性和互补性极强的微观粒子为后来研究和发展半导体光电子学奠定了基础。到20世纪前半叶才将电子在半导体中的行为上升到理论高度，并发现杂质对半导体性能产生大的影响。通过提纯得到真正的本征半导体，又可通过人为掺入杂质改变半导体的导电性质。在研究微观粒子运动规律的量子力学、统计物理、热力学等现代物理的基础上形成了半导体物理学，为1947年出现晶体管和其后的微电子学奠定了理论基础。其中虽也涉及了在光照作用下半导体中出现非平衡载流子（光生载流子），但并未涉及电子转化为光子的逆过程。系统地研究半导体中光子与电子相互作用、光能与电能相互转换，使之成为当今极具活力和发展潜力的半导体光电子学，首先应归功于半导体激光器的出现，及其后在光纤通信需求的强烈拉动下对半导体光电子材料、半导体光电子器件（激光器、光探测器、光放大器等）的快速发展。

在1953年9月，美国的冯·纽曼（Von Neumann）就曾在他的一篇未正式发表的手稿中预言在半导体中产生受激发射的可能性（后于1987年正式发表于IEEE J.Quantum Electron.QE-23 （6）：659-673）。巴丁（J.Bardean）在冯·纽曼理论预言的基础上认为，通过各种方法（例如向PN结注入少数载流子）扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高，这应该是激光器（Laser）的最早概念，比戈登（Gorden）和汤斯（Towes）所报告的微波量子放大器（Maser）的概念还早一年。1958年前苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫（Basov）于1958年首次公开发表文章提出在半导体中实现负温态（即粒子数反转）的理论和将载流子注入半导体PN结实现“注入激光器”的论述，只是他的理论和实验基于间接带隙半导体（Ge），这是探索中所经历历的一段曲折。1960年贝尔实验室的布莱（Boyle）和汤姆逊提出用半导体晶体平行解理面直接用做谐振腔面。1960年红宝石固体激光器和1961年He-Ne气体激光器相继问世，自然将催生半导体激光器。然而，实现这些激光器的粒子数反转条件似乎不适合半导体材料中的受激发射。在1961年，伯纳德（Bernard）和杜拉福格（Duraffourg）利用半导体准费米能级的概念推导出半导体增益介质中实现粒子数反转的条件。以上这些探索为1962年半导体激光器的出现奠定了理论和器件结构的基础。

1962年9月底到10月间，美国通用电气（GE）的两个实验室、IBM公司和麻省理工学院的林肯实验室几乎同时报道用GaAs半导体研制出同质结半导体激光器。因是同质结，这种激光器的阈值电流密度高达104A/cm2，只能在液氮温度下以脉冲方式勉强工作。这种状态一直持续到1967年仍未能突破。在这种考验人们攀登科学高峰耐力和洞察力的关键时期，正当一些半导体激光器的先行者一筹莫展而退却时，以通信著称于世界的美国贝尔实验室固体研究室主任高尔特（Golt）却从正在酝酿的光纤通信的需求出发，高瞻远瞩地认为，若半导体激光器能实现室温下连续工作，将在光纤通信中发挥巨大作用。为此，他们组织物理化学、晶体物理等跨学科的专家攻关，于1967年一举实现GaAlAs/GaAs单异质结半导体激光器在室温下脉冲工作。仅隔三年的1970年又实现基于GaAlAs/GaAs材料的双异质结半导体激光器在室温下连续工作，使阈值电流密度由单异质结激光器的103A/cm2又一次降到双异质结激光器的102A/cm2量级。这一成就恰与同年康宁公司光纤损耗突破20dB/km一道推动了光纤通信的发展，成为光纤通信史上的第一个里程碑。

一个只能在显微镜下才能看到的半导体激光器芯片，相继涌现出美国和前苏联的多位诺贝尔奖获得者。他们的研究成果和后来无数科技工作者的努力使包括半导体激光、半导体光放大、半导体发光和光探测在内的半导体光电子学得以迅速发展，至今仍方兴未艾。仍以为光纤通信和光信息存储不断更新换代提供动力的半导体激光器为例，它的发射波长已覆盖了从紫外到近红外的一个很宽的光谱范围，其量子效率之高，应用范围之广也是其他激光器不能比拟的。基于半导体有源材料的发光二极管已在光显示和“白光照明”方面发挥巨大的社会和经济效益。仅对目前半导体光发射器件的工作波长及其应用的一个不完全归纳，如下图所示。图中列举了半导体光发射器件的一些主要应用和相应的半导体材料。

除了需不断提高现有半导体光电子材料与器件性能外，半导体光电子学还面临一些需要进一步研究的课题，例如：

（1）充分开发能带工程的潜力，进一步提高导带与带价的对称性，进一步完善对轻/重空穴带简并度的调控。若能通过减少重空穴的有效质量，对提高半导体光发射和光放大器件的内量子效率、改善增益动力学性能将有大的积极影响。

（2）低维（特别是一维和零维）量子材料的进一步完善和利用，特别是量子点材料在尺寸、位置和分布的可控生长，通过对量子点的排列与组合，实现一些特殊的器件功能。

（3）需突破曾被称为“死亡之谷”的绿光波段的半导体光发射材料，填补该波段高质量子效率半导体激光器和发光器件的空白，实现完全基于半导体光电子器件的三基色（RGB）。

（4）光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）是半导体光电子学发展的制高点和永恒的研究命题。参照微电子学的发展经历，有待集成的半导体光电子器件以平面工艺实现；探索目前某些基于其他介质材料的光电子器件功能用相关半导体光电子材料和器件取代的可能性；需特别重视半导体光放大器在光子集成和全光信号处理中的作用，促进其发展；探索像微电子学那样，通过对同一半导体材料不同部位进行材料的微观处理（而非宏观加工）实现器件功能的途径。

（5）将现有半导体光电子器件的性能提高到极限。例如光发射器件的内量子效率提高到80%以上；半导体激光器的线宽提高因子减少至零而突破肖洛-唐斯极限线宽；半导体激光器直接调制带宽达到40GHz以上或半导体外调制器的调制带宽达到目前铌酸锂光调制器的水平；可调谐半导体激光器的连续和稳定调谐范围达40～80nm以上，满足目前光纤通信C+L波段的需要，且其成本接近单个同性能的半导体激光器；以EDFA为参照实现半导体光放大器的高饱和输出功率、低偏振相关增益或低噪声指数的半导体光放大器；低量子噪声和高增益-带宽积的雪崩光电二极管；等等。

半导体光电子学仍在不断快速发展之中，这是任何一部教材或专著难以概括和预期的。