在这种半导体材料中，导带电子与价带空穴发生带间直接复合，从而发出能量相当于禁带宽度的光子，称为复合发光。这一跃迁过程除了要保持能量守恒外，还要保持动量守恒。因此，要求这种半导体材料是直接带隙材料，即在动量空间（k空间）中导带底的位置与价带顶的位置相同。一般价带顶的位置在k空间的原点，因此要求导带底能谷的位置也在k空间的原点。当采用电流注入、光泵或电子束泵浦方法使这种材料中产生非平衡载流子时，复合发光就发生了。如果非平衡载流子浓度达到一个很高的水平，以至于达到粒子数反转分布时，由于光的受激发射，一定波长的光在这种材料中传输时就会得到放大，当有一个谐振腔存在时，在一定条件下，就会发生振荡，产生激光。

为了在半导体激光材料中形成粒子数反转分布，要向材料中注入非平衡载流子，并使其集中在一个小体积中以提高载流子浓度。为此半导体激光材料要做成一定的结构。PN结是半导体激光材料的基本结构，故半导体激光器常被称为二极管激光器，或称激光二极管、结型激光器。常用半导体激光材料的结构可分为普通PN结结构、量子阱结构、超晶格结构、应变层超晶格结构和应变层量子阱结构。其中超晶格结构是一种新型激光材料。

有同质结、单异质结和双异质结3种（图1）。图a为同质结，b为单异质结，c为双异质结。由图可知，在双异质结结构中，由于有源区两侧的限制层具有较大的禁带宽度，注入的载流子被集中在很薄的有源区中。在同样的注入电流下可以获得很高的载流子浓度，有利于粒子数反转。此外，有源区的折射率较高，在两侧的低折射率限制区的包围下形成一个平板波导，产生的光子被限制在该波导中传输，不会泄漏出去而产生额外的损耗。因此，双异质结激光器的阈值很低，光束质量也较好。

图1 PN结结构和禁带宽度与折射率分布

当有源层的厚度减小到10纳米量级时，电子和空穴的能量发生量子化，形成电子或空穴的势阱。一个量子阱结构的称单量子阱（图2a）。当势垒层足够厚时，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，将形成许多分离的量子阱，这样的多层结构称为多量子阱（图2b）。由于载流子能量的量子化，载流子的能态密度由抛物线形变为阶梯形，提高了微分增益系数，从而可以获得低阈值、高效率、高调制速率和高温稳定性的激光器。

图2 量子阱结构和禁带宽度与折射率分布

由晶格匹配而能带结构有一定差别的两种超薄层材料，周期性地交替生长多层而形成的一种材料结构。与多量子阱结构相比，超晶格结构的层数多，而且量子化的载流子能级互相耦合形成子能带。超晶格结构材料具有构成它的两种单晶材料所没有的新的优异特性，因而可成为新的激光材料。

利用超薄层材料生长技术，可以由晶格失配较大的两种材料形成超晶格或量子阱结构材料。在这种结构的材料中存在失配应力，但不会产生失配位错，因此称为应变层超晶格或应变层量子阱结构。由于应变使原来材料的能带结构发生畸变，从而可以人为地设计和制备所需要的能带结构的材料，获得性能更加优异的器件。

半导体激光材料按用途分为通信用半导体激光材料、红外半导体激光材料、光记录和存储用半导体激光材料和可见光半导体激光材料；按组成又分为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体和Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体。应用较多的是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是由Ⅲ族和Ⅴ族元素原子分别构成面心立方格子，然后在体对角线方向上位移1/4长度套构而成。其晶体结构属闪锌矿结构。每个Ⅲ族元素原子四周有4个Ⅴ族元素原子构成一正四面体，反之也相同。这样的晶体在对称性上属于43m点群，没有中心反演对称。其（111）晶面可分为（111）A面和（111）B面两组，具有不同的物理性质和化学性质。利用这一特性不仅可以检验、区别晶向，还可以用于制作有用的器件结构，如形成燕尾形或V型沟槽。Ⅲ-Ⅴ族晶体比较容易解理，解理面为（110）面。制作半导体激光器时，可用解理面作为谐振腔的镜面。常用的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）。

Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体为典型的闪锌矿或纤锌矿结构，其发光波长在蓝绿光波段。Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体主要是铅盐材料，其晶格结构是氯化钠结构，发光波长在数微米至数十微米的红外波段。

半导体激光材料主要用作半导体激光器。半导体激光器的泵浦方法有PN结电流注入、光泵和电子束泵浦等，常用的是电流注入，采用这种泵浦方法，要求半导体激光材料具有高掺杂特性。

对于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，常用的N型掺杂剂有碲、硒、硫等；常用的P型掺杂剂有锌、镉、镁、铍等。此外，硅、锗、锡也是常用的掺杂剂，但由于生长或掺杂的工艺条件（温度、浓度等）不同，这些元素的原子可能取Ⅲ族或Ⅴ族元素的位置而起施主或受主的作用，故称为两性掺杂剂。实际应用中，锗是良好的P型掺杂剂，硅和锡是良好的N型掺杂剂。

Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体难以掺杂，需用电子束泵浦。Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体也难以掺杂，但有较高浓度的空位缺陷，可用于形成PN结。