Полупроводниковые лазеры: точное генерирование света для современных технологий

---

Основы

Лазер — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — устройство, преобразующее энергию в свет. Электрическая или оптическая энергия возбуждает атомы или молекулы, которые затем излучают свет. Лазер состоит из резонатора с плоскими или сферическими зеркалами на концах, заполненного лазерным материалом. Этот материал можно возбудить в полустабильное состояние светом или электрическим разрядом. Материал может быть кристаллом, стеклом, жидкостью, красителем или газом, если он может быть так возбуждён.

Простейший резонатор имеет два зеркала: одно полностью отражает, второе — 50–99%. Пока свет отражается между ними, интенсивность растёт. Поскольку лазерный свет распространяется интенсивным пучком, лазер даёт очень яркий свет. Луч также можно проецировать на большие расстояния и фокусировать в очень маленькую точку.

Тип зеркала определяет тип пучка. Очень яркий, высокомонохроматичный (одна длина волны или цвет) и когерентный пучок получается, когда одно зеркало пропускает только 1–2% света. Если используют плоские зеркала, пучок высококоллимирован (сделан параллельным). Луч выходит у одного конца резонатора при вогнутых зеркалах. Такой пучок в первом случае делает лазеры очень полезными в медицине, так как эти свойства позволяют врачу точечно воздействовать на нужную область, не повреждая окружающие ткани.

Полупроводниковый лазер преобразует электрическую энергию в свет. Это возможно за счёт полупроводникового материала, способность которого проводить электричество находится между проводниками и диэлектриками. Легирование полупроводника специфическими количествами примесей меняет количество отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных дыр.

По сравнению с другими типами лазеров, полупроводниковые компактны, надёжны и долговечны. Они состоят из двух базовых компонентов: оптического усилителя и резонатора. Усилитель сделан из прямонпроводящего полупроводника на базе арсенида галлия (GaAs) или InP подложек. Это соединения элементов групп III и V периодической таблицы. Сплавы этих материалов наносят на подложки как многослойные структуры с точными дозами других материалов.

Резонатор непрерывно рециркулирует свет через усилитель и помогает его фокусировке. Этот компонент обычно состоит из волновода и двух плоско-параллельных зеркал. Зеркала покрывают материалом для увеличения или уменьшения отражательной способности и улучшения устойчивости к повреждениям от высоких плотностей мощности.

Производительность и стоимость полупроводника зависят от выходной мощности, яркости и срока службы. Мощность важна, так как определяет максимальную пропускную способность процесса. Высокая яркость — способность фокусировать выход в малую точку — определяет энергоэффективность. Срок службы важен, потому что чем дольше работает лазер, тем ниже эксплуатационные расходы, критично для промышленных применений.

Простейшие полупроводниковые лазеры состоят из одного излучателя, дающего более 1 Вт непрерывной волны. Для увеличения мощности разработали бары и многобарные модули или стеки. Бар — массив из 10 до 50 бок о бок отдельных полупроводниковых лазеров, интегрированных в один кристалл, а стек — двумерный массив нескольких баров. Бары дают 50 Вт выходной мощности и служат более 5000 часов. Поскольку такие высокие мощности выделяют много тепла, системы охлаждения должны быть интегрированы в дизайн.

История

Концепция лазеров впервые предложил Альберт Эйнштейн, показавший, что свет состоит из волновых энергий — фотонов. У каждого фотона энергия соответствует частоте волн. Чем выше частота, тем больше энергия несут волны. Эйнштейн и другой учёный С. Н. Бозе разработали теорию феномена склонности фотонов путешествовать вместе.

Лазерное действие впервые продемонстрировали в микроволновой области в 1954 году нобелевским лауреатом Чарльзом Таунсом и соавторами. Они проецировали пучок аммиачных молекул через систему фокусирующих электродов. Когда микроволновая мощность подходящей частоты проходила через резонатор, происходило усиление, и родился термин Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (MASER). Термин «лазер» впервые ввёл физик Гордон Гулд в 1957 году.

Таунс также работал с Артуром Шавлоу, и они предложили лазер в 1958 году, получив патент в 1960. Первый практический лазер изобрёл в том же году физик Теодор Мейман в Hughes Research Laboratories. Этот лазер использовал розовый рубиновый кристалл, окружённый вспышечной лампой в полированном алюминиевом цилиндрическом резонаторе, охлаждаемом принудительным воздухом. Через два года сделали непрерывный рубиновый лазер, заменив вспышечную лампу дуговой.

В 1962 году лазерное действие в полупроводниковом материале продемонстрировали Роберт Холл и исследователи General Electric, за ними последовали другие американские ученые. Потребовалось около десятилетия для первого полупроводникового диодного лазера, работающего при комнатной температуре, впервые продемонстрированного советскими исследователями. Bell Labs последовали за успехом советских коллег, одновременно улучшая сроки службы лазеров. В 1975 году Diode Laser Labs из Нью-Джерси представили первый коммерческий полупроводниковый лазер комнатной температуры.

Несмотря на прогресс, эти лазеры всё ещё были недостаточны для телекоммуникаций. Вместо этого они нашли широкое применение (после других улучшений характеристик и срока службы) в аудио-CD после того, как Philips (Нидерланды) и Sony (Япония) разработали CD в 1980 году с диодным лазером. К концу десятилетия десятки миллионов CD-плееров продавались ежегодно. Недавно появились DVD для оптического хранения, тоже на базе диодных лазеров.

По мере роста мощности полупроводниковые лазеры расширились в другие приложения. С 1995 года характеристики высокомощных диодных лазеров выросли в 25 раз. С этой высшей надёжностью большие группы диодных лазеров теперь можно комбинировать в «стелы» до 25 отдельных диодных лазеров.

В 1999 году выручка от лазерных диодов составила 64% от всех проданных лазеров, против 57% в 1996, и прогнозировалась 69% в 2000. В единицах продаж полупроводниковые лазеры составляли около 99% от общего (более 400 млн единиц), значит, большинство лазерного света теперь производится прямо или косвенно (через диодное накачку) полупроводниковыми лазерами. Помимо промышленных применений, полупроводниковые лазеры используются как источники накачки для твердотельных и волоконных лазеров, в графических приложениях — цветопруф и цифровая прямая печать на печатные платы, а также в медицинских и военных целях (освещение цели и дальномерия). В 2000 году Laser Focus World оценили, что около 34% медицинских терапевтических лазеров были полупроводникового типа.

Сырьё

Конвенциональный полупроводниковый лазер состоит из соединения полупроводника — арсенида галлия. Этот материал поставляется в виде слитков, которые дальше перерабатывают в подложки, на которые наносят слои других материалов. Материалы для этих слоёв точно взвешивают по конкретной формуле. Другие материалы Лазер с двойной гетероструктурой. используемые для этого типа лазера включают определённые металлы (цинк, золото, медь) как добавки (легирующие) или электроды, и диоксид кремния как изолятор.

Дизайн

Базовый дизайн полупроводникового лазера — «двойная гетероструктура». Это состоит из нескольких слоёв с разными функциями. Активный или усиливающий свет слой помещен между двумя обкладками. Эти обкладки обеспечивают инъекцию электронов в активный слой. Поскольку активный слой имеет показатель преломления больше, чем у обкладок, свет замыкается в активном слое.

Производительность лазера можно улучшить, меняя дизайн перехода так, чтобы уменьшить дифракционные потери в оптическом резонаторе. Это возможно модификацией лазерного материала для контроля показателя преломления резонатора и ширины перехода. Показатель преломления материала зависит от типа и количества примеси. Например, если часть галлия в положительно заряженном слое заменить алюминием, показатель преломления снижается и лазерный свет лучше замыкается в оптическом резонаторе.

Ширина перехода также влияет на характеристики. Узкое измерение замыкает ток в одну линию вдоль длины лазера, увеличивая плотность тока. Пиковая выходная мощность должна быть ограничена не более 400 Вт на см (0,4 дюйма) длины перехода и плотность тока менее 6500 А на см² в переходе для продления жизни лазера.

Производственный процесс

Изготовление подложки

• 1. Подложки делают методом вытягивания кристалла — метода Чоральского, где кристалл выращивают из расплава. Элементы сначала смешивают и нагревают до раствора. Раствор затем охлаждают, затвердевая материал. Семя кристалла крепят к низу вертикальной руки так, что семя едва касается материала на поверхности расплава. Ручку медленно поднимают, и кристалл растёт снизу на границе между кристаллом и расплавом. Обычно кристалл медленно вращают для избежания примесей в кристалле. Измеряя вес кристалла во время вытягивания, компьютерные контролы могут варьировать скорость вытягивания для производства любого желаемого диаметра.

Наращивание слоёв

• 2. Наиболее распространённый метод наращивания слоёв на подложку — жидкофазная эпитаксия (LPE). Слои, имеющие то же или фиксированное направление кристаллографического роста, что и подложка, могут выращиваться на подложке при её контакте с раствором желаемого состава. По мере снижения температуры полупроводниковое соединение (такое как GaAs) выпадает из раствора в кристаллической форме и оседает на подложку.

  Система LPE состоит из реактора (где растут слои), системы загрузки подложки, насоса и выхлопной системы (для удаления воздуха или загрязнённых газов после загрузки/выгрузки материалов), газовой системы (для движения водорода через реактор для удаления примесей) и системы температурного контроля. Чистые материалы используют для реактора, чтобы слои не загрязнялись. Коробка загрузки обычно заполнена азотом для вытеснения воздуха при открытии реактора. Реактор обычно состоит из кварцевой трубы, в которой размещают графитовый чан и держатель чана. Графитовый чан состоит из внешней рамы, держателя подложки, распорки и плавящей коробки.

• 3. Исходные материалы для слоёв сначала промывают и эдят для очистки поверхности. После сушки загружают в каждую плавящую коробку графитового чана. Для наращивания каждого слоя материалы сначала плавят нагреванием до специфической температуры, затем держатель подложки с подложкой перемещают от первой плавки к следующей. Подложку держат в каждой плавке определённое время под фиксированной скоростью охлаждения, обычно 33°F (0,5°C) в минуту, по специфической программе для каждого состава. Температура автоматически контролируется термопарами.

Фабрикация лазерного устройства

• 4. После наращивания многослойной структуры завершают несколько других процессов для формирования лазерного устройства. Сначала подложку механически полируют до уменьшения толщины до 70–100 микрон для расщепления. Затем формируют очень тонкую пленочку диоксида кремния на поверхности подложки. Полоски формируют фотолитографией и химическим травлением. Контактные электроды наносят методом испарения. Далее формируют лазерный резонатор расщеплением вейфера вдоль параллельных кристаллических плоскостей. Готовые лазерные устройства крепят к медному теплоотводу с одной стороны и к малому электрическому контакту с другой.

Контроль качества

Подложка, на которую наращивают полупроводниковую структуру, должна отвечать требованиям по кристаллическому направлению, плотности ям после травления (EPD), концентрации примесей, толщине подложки и размеру вейфера. Кристаллическое направление должно быть в пределах нескольких градусов. Ямы после травления — прямоугольные холмики или ямы, раскрываемые селективным травлением подложки какой-то кислотной раствором. Плотность ям (число ям на кв. см) используется для оценки плотности дилокаций, влияющей на срок службы лазера. Требуется EPD 10³ на см² или менее. Концентрации примесей около 10¹⁸ на см³. Подложки могут быть до 3 дюймов (7,6 см) в диаметре и обычно режут на 350-микронные пластины.

После процесса роста поверхность полупроводникового вейфера осматривают оптическим микроскопом. Для изучения многослойной структуры поперечное сечение вейфера, отшлифованное или расщеплённое, окрашивают и травят для повышения контраста слоёв с помощью растерного электронного микроскопа. Рентгеновская дифракция определяет составы слоёв и измеряет решёточные узоры структуры. Концентрация примесей и показатель преломления слоёв также измеряют несколькими аналитическими методами. После фабрикации лазерного устройства измеряют такие рабочие параметры, как вольт-амперные характеристики, пороговая плотность тока и спектральные характеристики.

Будущее

Аналитики Frost & Sullivan прогнозируют, что рынок диодных лазерных систем достигнет почти $4,6 млрд к 2005 году. Этот рост частично обусловлен расширением применений в обработке материалов, так как высокомощные диодные лазеры становятся дешевле твердотельных. Компактный размер и электроэнергетическая эффективность также делают высокомощные полупроводниковые лазеры привлекательными для промышленных применений вроде термической обработки и сварки. Новые материаловые составы и методы обработки также разрабатывают для расширения применений.