Полупроводниковый лазер

<час />

Фон

Лазер, который является аббревиатурой от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, представляет собой устройство, преобразующее энергию в свет. Электрическая или оптическая энергия используется для возбуждения атомов или молекул, которые затем излучают свет. Лазер состоит из резонатора с плоскими или сферическими зеркалами на концах, заполненного материалом, пригодным для лазерной резки. Этот материал можно возбуждать до полустабильного состояния светом или электрическим разрядом. Материал может быть кристаллом, стеклом, жидкостью, красителем или газом, если его можно возбуждать таким образом.

Самый простой резонатор имеет два зеркала:одно полностью отражает, а второе отражает от 50 до 99%. Когда свет отражается между этими зеркалами, интенсивность увеличивается. Поскольку лазерный свет распространяется как интенсивный луч, лазер излучает очень яркий свет. Лазерные лучи также могут проецироваться на большие расстояния и фокусироваться в очень маленькую точку.

Тип зеркала определяет тип луча. Очень яркий, сильно монохроматический (одна длина волны или один цвет) и когерентный луч получается, когда одно зеркало пропускает только 1-2% света. Если используются плоские зеркала, луч сильно коллимирован (параллелен). При использовании вогнутых зеркал луч выходит около одного конца резонатора. Тип луча в первом случае делает лазеры очень полезными в медицине, поскольку эти свойства позволяют врачу более точно нацеливать желаемую область, избегая повреждения окружающих тканей.

Полупроводниковый лазер преобразует электрическую энергию в свет. Это стало возможным благодаря использованию полупроводникового материала, способность которого проводить электричество находится между проводниками и изоляторами. Легируя полупроводник определенным количеством примесей, можно изменить количество отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных дырок.

По сравнению с другими типами лазеров полупроводниковые лазеры компактны, надежны и служат долго. Такие лазеры состоят из двух основных компонентов:оптического усилителя и резонатора. Усилитель изготовлен из полупроводникового материала с прямой запрещенной зоной на основе арсенида галлия (GaAs) или InP. Это соединения на основе элементов III и V групп периодической таблицы. Сплавы этих материалов формируются на подложках в виде слоистых структур, содержащих точное количество других материалов.

Резонатор непрерывно рециркулирует свет через усилитель и помогает его фокусировать. Этот элемент обычно состоит из волновода и двух плоскопараллельных зеркал. Эти зеркала покрыты материалом для увеличения или уменьшения отражательной способности и для повышения устойчивости к повреждениям от высоких плотностей мощности.

Характеристики и стоимость полупроводника зависят от его выходной мощности, яркости и срока службы. Мощность важна, потому что она определяет максимальную производительность или скорость подачи процесса. Высокая яркость или способность фокусировать лазерный луч на небольшую точку определяет энергоэффективность. Срок службы важен, потому что чем дольше работает лазер, тем меньше затраты на его эксплуатацию, что особенно важно в промышленных приложениях.

Простейшие полупроводниковые лазеры состоят из одного эмиттера, который производит более одного ватта мощности непрерывной волны. Для увеличения мощности были разработаны стержни и многополосные модули или стеки. Полоса представляет собой массив из 10–50 расположенных рядом отдельных полупроводниковых лазеров, интегрированных в один кристалл, а стопка представляет собой двумерный массив из нескольких стержней. Бары могут производить 50 Вт выходной мощности и служить более 5000 часов. Поскольку при такой высокой мощности выделяется много тепла, в конструкцию необходимо включить системы охлаждения.

История

Идея лазеров была впервые предложена Альбертом Эйнштейном, который показал, что свет состоит из волновых энергий, называемых фотонами. Каждый фотон имеет энергию, соответствующую частоте волн. Чем выше частота, тем большую энергию переносят волны. Затем Эйнштейн и другой ученый по имени С. Н. Бозе разработали теорию, лежащую в основе феномена тенденции фотонов к совместному перемещению.

Впервые лазерное воздействие было продемонстрировано в микроволновом диапазоне в 1954 году лауреатом Нобелевской премии Чарльзом Таунсом и его сотрудниками. Они проецировали пучок молекул аммиака через систему фокусирующих электродов. Когда микроволновая мощность соответствующей частоты пропускалась через резонатор, происходило усиление, и родился термин «усиление микроволн за счет стимулированного излучения излучения» (M.A.S.E.R.). Термин «лазер» был впервые введен в употребление в 1957 году физиком Гордоном Гулдом.

Таунс также работал с Артуром Шавловым, и они оба предложили лазер в 1958 году, получив патент в 1960 году. Первый практический лазер был изобретен в том же году физиком по имени Теодор Майман, когда он работал в исследовательских лабораториях Хьюза. В этом лазере использовался розовый кристалл рубина, окруженный импульсной трубкой, заключенной в полированный алюминиевый цилиндрический резонатор, охлаждаемый принудительным воздухом. Два года спустя был получен рубин с непрерывной генерацией путем замены лампы-вспышки на дуговую лампу.

В 1962 году Роберт Холл и исследователи из General Electric продемонстрировали лазерное воздействие на полупроводниковый материал, а вскоре и другие исследователи из Соединенных Штатов. Еще около десяти лет ушло на разработку первого полупроводникового диодного лазера, способного работать при комнатной температуре, что впервые продемонстрировали российские исследователи. Bell Labs следила за успехами российских исследователей, а также улучшала срок службы лазеров. В 1975 году лаборатория диодных лазеров в Нью-Джерси представила первый коммерческий полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре.

Несмотря на этот прогресс, эти лазеры все еще не подходили для телекоммуникационных приложений. Вместо этого они нашли широкое применение (после других улучшений производительности и срока службы) в аудиокомпакт-дисках после того, как в 1980 году Philips (Нидерланды) и Sony (Япония) разработали компакт-диск с использованием диодного лазера. К концу десятилетия ежегодно продавались десятки миллионов CD-плееров. Совсем недавно для оптического хранения стали доступны цифровые видеодиски, которые также основаны на диодных лазерах.

По мере увеличения мощности полупроводниковые лазеры нашли применение и в других сферах. С 1995 года характеристики мощных диодных лазеров выросли в 25 раз. Благодаря этой более высокой надежности большие группы диодных лазеров теперь могут быть объединены для создания «стопок» из 25 отдельных диодных лазеров.

В 1999 г. выручка от производства лазерных диодов составляла 64% от всех проданных лазеров по сравнению с 57% в 1996 г. и прогнозировалась на уровне 69% в 2000 г. Что касается проданных единиц, на полупроводниковые лазеры приходилось около 99% от общего объема ( более 400 миллионов единиц), что означает, что большая часть лазерного излучения в настоящее время производится прямо или косвенно (через диодную накачку) полупроводниковыми лазерами. В дополнение к промышленным применениям полупроводниковые лазеры используются в качестве источников накачки для твердотельных лазеров и волоконных лазеров, в графических приложениях, таких как цветопробы и цифровая прямая печать на пластинах, а также для различных медицинских и военных приложений (освещение цели и определение дальности ). В 2000 году Laser Focus World По оценкам, около 34% лазеров для лечебной терапии были полупроводниковыми.

Сырье

Обычный полупроводниковый лазер состоит из сложного полупроводника, арсенида галлия. Этот материал поступает в виде слитков, которые затем перерабатываются в субстраты, к которым добавляются слои других материалов. Материалы, используемые для формирования этих слоев, точно взвешиваются по определенной формуле. Другие материалы, которые Лазер с двойной гетероструктурой. Используемые для создания этого типа лазера включают определенные металлы (цинк, золото и медь) в качестве добавок (легирующих примесей) или электродов, а также диоксид кремния в качестве изолятора.

Дизайн

Основная конструкция полупроводникового лазера представляет собой «двойную гетероструктуру». Он состоит из нескольких слоев, которые выполняют разные функции. Активный или усиливающий свет слой расположен между двумя слоями оболочки. Эти слои оболочки обеспечивают инжекцию электронов в активный слой. Поскольку активный слой имеет показатель преломления больше, чем у слоев оболочки, свет удерживается в активном слое.

Характеристики лазера можно улучшить, изменив конструкцию перехода, чтобы уменьшить дифракционные потери в оптическом резонаторе. Это стало возможным благодаря модификации материала лазера для управления показателем преломления полости и шириной перехода. Показатель преломления материала зависит от типа и количества примесей. Например, если часть галлия в положительно заряженном слое заменяется алюминием, показатель преломления уменьшается, и лазерный свет лучше ограничивается оптическим резонатором.

Ширина стыка также может повлиять на производительность. Узкий размер ограничивает ток одной линией по длине лазера, увеличивая плотность тока. Пиковая выходная мощность не должна превышать 400 Вт на см (0,4 дюйма) длины перехода, а плотность тока - менее 6500 ампер на квадратный сантиметр на переходе, чтобы продлить срок службы лазера.

Производственный процесс

Изготовление подложки

• 1 Подложки изготавливаются с использованием метода вытягивания кристаллов, называемого методом Чохральского, при котором кристалл выращивается из расплава. Элементы сначала смешиваются, а затем нагреваются до образования раствора. Затем раствор охлаждается, в результате чего материал затвердевает. Затравочный кристалл прикреплен к нижней части вертикального плеча, так что затравка почти не контактирует с материалом на поверхности расплава. Плечо поднимается медленно, и под ним на границе раздела между кристаллом и расплавом растет кристалл. Обычно кристалл вращают медленно, чтобы избежать образования примесей в кристалле. Измеряя вес кристалла во время процесса вытягивания, компьютерное управление может изменять скорость вытягивания для получения любого желаемого диаметра.

Увеличение слоев

• 2 Наиболее распространенный метод наращивания слоев на подложке называется жидкофазной эпитаксией (ЖФЭ). Слои, которые имеют то же или фиксированное направление роста кристаллов, что и подложка, могут быть выращены на подложке, когда подложка входит в контакт с раствором желаемого состава. При понижении температуры полупроводниковое соединение (например, GaAs) выходит из раствора в кристаллической форме и осаждается на подложку.

  Система LPE состоит из реактора (где выращиваются слои), системы загрузки субстрата, насоса и выхлопной системы (для удаления воздуха или нечистых газов после того, как материалы загружены или извлечены), системы газового потока (для перемещения газообразный водород через реактор для удаления примесных газов) и систему контроля температуры. Для изготовления реактора используются чистые материалы, поэтому слои не загрязняются. Загрузочная камера обычно заполняется газообразным азотом для продувки воздуха при открытии реактора. Реактор обычно состоит из кварцевой трубки, в которой размещены графитовая лодочка и держатель лодочки. Графитовая лодочка состоит из внешнего каркаса, держателя подложки, прокладки и ящика для расплава.

• 3 Исходные материалы для слоев сначала промываются и протравливаются, чтобы очистить поверхность. После высыхания протравленных материалов их загружают в каждую плавильную камеру графитовой лодочки. Для выращивания каждого слоя материалы сначала плавятся путем нагрева до определенной температуры, а затем держатель подложки тянется вместе с подложкой от первого плавления к следующему. Подложка выдерживается при каждом плавлении в течение определенного времени при фиксированной скорости охлаждения, обычно 33 ° F (0,5 ° C) в минуту, в соответствии с конкретной программой, разработанной для каждого состава. Температура автоматически регулируется с помощью термопар.

Изготовление лазерного устройства

• 4 После того, как слоистая структура выращена, завершается несколько других процессов для формирования лазерного устройства. Сначала подложку механически полируют до тех пор, пока ее толщина не уменьшится до 70-100 микрон для подготовки к скалыванию. Затем очень тонкий кремний На поверхности подложки образуется диоксидная пленка. Полосы формируются методами фотолитографии и химического травления. Контактные электроды наносятся методом напыления. Затем формируется лазерный резонатор путем скола пластины по параллельным плоскостям кристалла. Готовые лазерные устройства затем прикрепляются к медному радиатору с одной стороны и небольшому электрическому контакту с другой.

Контроль качества

Подложка, на которой выращивается полупроводниковая структура, должна соответствовать определенным требованиям, касающимся направления кристаллов, плотности ямок травления (EPD), концентрации примесей, толщины подложки и размера пластины. Направление кристалла должно быть в пределах нескольких градусов. Ямки травления, которые представляют собой прямоугольные холмы или отверстия, обнаруживаются путем выборочного травления подложки каким-либо раствором кислоты. Плотность ямок травления (количество ямок травления на квадратный сантиметр) используется для оценки плотности дислокаций, которая влияет на срок службы лазера. EPD 10 ³ на квадратный сантиметр или меньше. Концентрация примесей составляет около 10 ¹⁸ на кубический сантиметр. Подложки могут иметь размер до 3 дюймов (7,6 см) в диаметре и обычно нарезаются на куски толщиной 350 микрон.

После процесса роста поверхность полупроводниковой пластины исследуют с помощью оптического микроскопа. Чтобы исследовать слоистую структуру, шлифованный или сколотый поперечный срез пластины окрашивают и травят для увеличения контраста слоев с помощью сканирующего электронного микроскопа. Дифракция рентгеновских лучей используется для определения состава слоев и измерения структуры решетки. Концентрация примесей и показатель преломления слоев также измеряются несколькими аналитическими методами. После изготовления лазерного устройства измеряются такие рабочие параметры, как кривые напряжение / ток, пороговая плотность тока и спектральные характеристики.

Будущее

Отраслевые аналитики Frost &Sullivan прогнозируют, что к 2005 году рынок диодных лазерных систем достигнет почти 4,6 миллиарда долларов. Этот рост частично связан с расширением применения в обработке материалов, поскольку мощные диодные лазеры становятся менее дорогими, чем твердотельные лазеры. Компактные размеры и электрический КПД также делают мощные полупроводниковые лазеры привлекательными для промышленных применений, таких как термообработка и сварка. Также разрабатываются новые составы материалов и методы обработки для расширения областей применения.