Semiconductor Lasers: Precieze Lichtgeneratie voor Moderne Technologie

Historische Achtergrond

Een laser, een acroniem voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, is een apparaat dat energie in licht omzet. Elektrische of optische energie wordt gebruikt om atomen of moleculen te exciteren, die dan licht emitteren. Een laser bestaat uit een cavity, met vlakke of bolvormige spiegels aan de uiteinden, gevuld met laseerbaar materiaal. Dit materiaal kan geëxciteerd worden tot een half-stabiele toestand door licht of een elektrische ontlading. Het materiaal kan een kristal, glas, vloeistof, kleurstof of gas zijn, mits het op deze manier geëxciteerd kan worden.

De eenvoudigste cavity heeft twee spiegels, een die totaal reflecteert en een die tussen 50 en 99% reflecteert. Terwijl het licht tussen deze spiegels heen en weer kaatst, neemt de intensiteit toe. Omdat laserlicht als een intense bundel reist, produceert de laser heel helder licht. Laserbundels kunnen ook over grote afstanden worden geprojecteerd en op een heel kleine plek gefocust worden.

Het type spiegel bepaalt het type bundel. Een heel heldere, hoogst monochromatische (één golflengte of één kleur) en coherente bundel wordt geproduceerd wanneer één spiegel slechts 1-2% van het licht doorlaat. Als vlakke spiegels gebruikt worden, is de bundel hoogst gecollimeerd (gemaakt parallel). De bundel komt bij bolvormige spiegels bij het ene uiteinde van de cavity uit. Het bundeltype in het eerste geval maakt lasers heel nuttig in de geneeskunde, aangezien deze eigenschappen de dokter in staat stellen het gewenste gebied nauwkeuriger te targeten, schade aan omringend weefsel vermijdend.

Een semiconductor laser zet elektrische energie om in licht. Dit is mogelijk door een semiconductor materiaal te gebruiken, wiens vermogen om elektriciteit te geleiden ligt tussen dat van geleiders en isolatoren. Door een semiconductor te doppen met specifieke hoeveelheden onzuiverheden, kan het aantal negatief geladen elektronen of positief geladen gaten veranderd worden.

In vergelijking met andere laser types, zijn semiconductor lasers compact, betrouwbaar en langdurig. Zulke lasers bestaan uit twee basiscomponenten, een optische versterker en een resonator. De versterker is gemaakt van een direct-bandgap semiconductor materiaal gebaseerd op galliumarsenide (GaAs) of InP substraten. Dit zijn verbindingen gebaseerd op de Groep III en Groep V elementen in het periodieke systeem. Legeringen van deze materialen worden op de substraten aangebracht als gelaagde structuren met precieze hoeveelheden andere materialen.

De resonator hercirculeert continu licht door de versterker en helpt het te focussen. Dit component bestaat meestal uit een golgleider en twee evenwijdige vlakke spiegels. Deze spiegels zijn gecoat met een materiaal om reflectiviteit te verhogen of te verlagen en de weerstand tegen schade van hoge energiedichtheden te verbeteren.

De prestaties en kosten van een semiconductor hangen af van het uitgangsvermogen, helderheid, en operationele levensduur. Vermogen is belangrijk omdat het de maximale doorvoer of voedselsnelheid van een proces bepaalt. Hoge helderheid, of het vermogen om laseruitgang op een kleine plek te focussen, bepaalt energie-efficiëntie. Levensduur is belangrijk omdat hoe langer een laser duurt, hoe minder het kost om te opereren, wat vooral kritiek is in industriële toepassingen.

De eenvoudigste semiconductor lasers bestaan uit een enkele emitter die meer dan één watt continu golfvermogen produceert. Om het vermogen te verhogen, zijn balken en multibalk modules of stacks ontwikkeld. Een balk is een array van 10 tot 50 naast elkaar geplaatste individuele semiconductor lasers geïntegreerd in een enkele chip en een stack is een tweedimensionale array van meerdere balken. Balken kunnen 50 watt uitgangsvermogen produceren en duren meer dan 5.000 uur. Omdat dergelijke hoge vermogens veel warmte produceren, moeten koelsystemen in het ontwerp geïntegreerd worden.

Geschiedenis

Het concept achter lasers werd voor het eerst voorgesteld door Albert Einstein, die toonde dat licht bestaat uit golfenergieën genaamd fotonen. Elke foton heeft een energie die correspondeert met de frequentie van de golven. Hoe hoger de frequentie, hoe groter de energie die door de golven gedragen wordt. Einstein en een andere wetenschapper genaamd S.N. Bose ontwikkelden vervolgens de theorie achter het fenomeen van fotonen' neiging om samen te reizen.

Laseractie werd voor het eerst gedemonstreerd in het microgolfgebied in 1954 door Nobelprijswinnaar Charles Townes en zijn medewerkers. Ze projecteerden een bundel ammoniak moleculen door een systeem van focusseerende elektroden. Toen microgolfvermogen van geschikte frequentie door de cavity werd geleid, trad amplificatie op en de term Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (MASER) werd geboren. De term laser werd voor het eerst in 1957 geprägt door natuurkundige Gordon Gould.

Townes werkte ook met Arthur Schawlow en de twee stelden de laser voor in 1958, ontvingen een octrooi in 1960. De eerste praktische laser werd datzelfde jaar uitgevonden door een natuurkundige genaamd Theodore Maiman, terwijl hij werkzaam was bij Hughes Research Laboratories. Deze laser gebruikte een roze robijnkristal omringd door een flitsbuis binnenin een gepolijste aluminium cylindervormige cavity gekoeld door gedwongen lucht. Twee jaar later werd een continu lasende robijn gemaakt door de flitslamp te vervangen door een booglamp.

In 1962 werd laseractie in een semiconductor materiaal gedemonstreerd door Robert Hall en onderzoekers bij General Electric, met andere VS-onderzoekers die snel volgden. Het duurde ongeveer nog een decennium voordat de eerste semiconductor diode laser ontwikkeld werd die bij kamertemperatuur kon opereren, wat voor het eerst gedemonstreerd werd door Russische onderzoekers. Bell Labsvolgde de succes van de Russische onderzoekers, terwijl ze ook de laserlevensduur verbeterden. In 1975 introduceerde Diode Laser Labs van New Jersey de eerste commerciële kamertemperatuur semiconductor laser.

Ondanks deze vooruitgang, waren deze lasers nog onvoldoende voor telecommunicatie toepassingen. In plaats daarvan vonden ze wijd verspreid gebruik (na andere prestatie- en levensduurverbeteringen) in audio compact disks nadat Philips (Nederland) en Sony (Japan) in 1980 een CD ontwikkelden met een diode laser. Aan het einde van het decennium werden tientallen miljoenen CD-spelers elk jaar verkocht. Meer recent zijn digitale videodisks beschikbaar gekomen voor optische opslag, die ook op diode lasers gebaseerd zijn.

Naarmate het vermogen toeneemt, hebben semiconductor lasers zich uitgebreid naar andere toepassingen. Sinds 1995 is de prestatie van hoge-vermogen diode lasers met een factor 25 gestegen. Met deze hogere betrouwbaarheid kunnen grote groepen diode lasers nu gecombineerd worden om "stacks" van maximaal 25 individuele diode lasers te creëren.

In 1999 vertegenwoordigde laser-diode omzet 64% van alle verkochte lasers, op van 57% in 1996, en werd verwacht 69% in 2000 te bereiken. In termen van verkochte eenheden hebben semiconductor lasers voor ongeveer 99% van het totaal (meer dan 400 miljoen eenheden) gestaan, wat betekent dat de meeste laserlicht nu direct of indirect (via diode pumping) door semiconductor lasers geproduceerd wordt. Naast industriële toepassingen worden semiconductor lasers gebruikt als pompbronnen voor vastestof lasers en vezellasers, in grafische toepassingen zoals kleurproofing en digitale direct-naar-plaat printen, en voor diverse medische en militaire toepassingen (doelverlichting en afstandsmeting). In 2000 schatte Laser Focus World dat ongeveer 34% van medische therapie lasers van het semiconductor type was.

Grondstoffen

De conventionele semiconductor laser bestaat uit een samengestelde semiconductor, galliumarsenide. Dit materiaal komt in de vorm van lingoten die vervolgens verder verwerkt worden tot substraten waaraan lagen van andere materialen worden toegevoegd. De materialen gebruikt om deze lagen te vormen, worden precies afgewogen volgens een specifieke formule. Andere materialen die Een dubbele heterostructuur laser. gebruikt worden om dit type laser te maken omvatten bepaalde metalen (zink, goud, en koper) als additieven (dopanten) of elektroden, en siliciumdioxide als isolator.

Ontwerp

Het basisontwerp van een semiconductor laser bestaat uit een "dubbele heterostructuur". Dit bestaat uit verschillende lagen die verschillende functies hebben. Een actieve of lichtversterkingslaag is ingesloten tussen twee bekledingslagen. Deze bekledingslagen voorzien in injectie van elektronen in de actieve laag. Omdat de actieve laag een brekingsindex heeft die groter is dan die van de bekledingslagen, wordt licht in de actieve laag eingesloten.

De prestaties van de laser kunnen verbeterd worden door het knoopontwerp te veranderen zodat diffractieverlies in de optische cavity wordt gereduceerd. Dit is mogelijk door het lasermateriaal te wijzigen om de brekingsindex van de cavity en de breedte van de knoop te controleren. De brekingsindex van het materiaal hangt af van het type en de hoeveelheid onzuiverheid. Bijvoorbeeld, als een deel van het gallium in de positief geladen laag vervangen wordt door aluminium, wordt de brekingsindex verlaagd en het laserlicht beter ingesloten in de optische cavity.

De breedte van de knoop kan ook de prestaties beïnvloeden. Een smalle dimensie sluit de stroom in op een enkele lijn langs de lengte van de laser, wat de stroomdichtheid verhoogt. Piekuitgangsvermogen moet beperkt worden tot niet meer dan 400 watt per cm (0,4 in) lengte van de knoop en stroomdichtheid tot minder dan 6.500 ampere per cm² aan de knoop om de levensduur van de laser te verlengen.

Het Productieproces

Het Substraat Maken

• 1 De substraten worden gemaakt met een kristalgroeitechniek genaamd de Czochralski methode, waar een kristal uit een smelt wordt gegroeid. De elementen worden eerst samen gemengd en dan verhit om een oplossing te vormen. De oplossing wordt dan afgekoeld, wat het materiaal solidificeert. Een zaadkristal wordt aan de onderkant van een verticale arm bevestigd zodat de zaad net het materiaal aan het oppervlak van de smelt raakt. De arm wordt langzaam opgeheven, en een kristal groeit eronder aan de interface tussen het kristal en de smelt. Meestal wordt het kristal langzaam geroteerd om onzuiverheden in het kristal te voorkomen. Door het gewicht van het kristal tijdens het trekproces te meten, kunnen computerbesturingen de treksnelheid variëren om elke gewenste diameter te produceren.

De Lagen Kweken

• 2 De meest gangbare methode voor het kweken van de lagen op het substraat heet vloeistof-fase epitaxie (LPE). Lagen die dezelfde of vaste kristalgroeirichting hebben als die van het substraat, kunnen op het substraat gekweekt worden wanneer het substraat in contact komt met een oplossing van de gewenste samenstelling. Als de temperatuur daalt, komt het semiconductorverbinding (zoals GaAs) in kristallijne vorm uit de oplossing en wordt op het substraat gedeponeerd.

  Een LPE-systeem bestaat uit een reactor (waar de lagen gekweekt worden), een substraatlaadsysteem, een pomp- en afvoersysteem (voor het verwijderen van lucht of onzuiver gassen nadat materialen erin of eruit worden gebracht), een gasstroomsysteem (om waterstofgas door de reactor te bewegen om onzuiver gassen te verwijderen) en een temperatuurregelsysteem. Zuivere materialen worden gebruikt voor het maken van de reactor zodat de lagen niet gecontamineerd worden. De laaddoos wordt meestal met stikstofgas gevuld om de lucht te purgeren tijdens het openen van de reactor. De reactor bestaat typisch uit een kwartsbuis, waarin een grafiet boot en boothouder worden geplaatst. De grafiet boot bestaat uit een buitenframe, een substraathouder, een spacer en een smeltbak.

• 3 De bronmaterialen voor de lagen worden eerst gespoeld en geëtst om het oppervlak te reinigen. Na het drogen van de geëtste materialen, worden ze in elke smeltbak van de grafiet boot geladen. Om elke laag te kweken, worden de materialen eerst gesmolten door te verhitten tot een specifieke temperatuur en dan wordt de substraathouder samen met het substraat van de eerste smelt naar de volgende getrokken. Het substraat wordt bij elke smelt voor een bepaalde tijd onder een vaste afkoelsnelheid, meestal 33°F (0,5°C) per minuut, volgens een specifiek programma ontworpen voor elke samenstelling. De temperatuur wordt automatisch gecontroleerd met thermocouple sensoren.

Het Laserapparaat Fabriceren

• 4 Na het kweken van de gelaagde structuur, worden diverse andere processen voltooid om het laserapparaat te vormen. Eerst wordt het substraat mechanisch gepolijst tot de dikte afneemt tot 70-100 micron ter voorbereiding op cleaven. Vervolgens wordt een heel dunne silicium dioxide film op het substraatoppervlak gevormd. Strepen worden gevormd door fotolithografie en chemisch etsen. Contactelektroden worden toegepast met een verdampingsmethode. Vervolgens wordt een laserresonator gevormd door het wafer langs parallele kristalvlakken te cleaven. De voltooide laserapparaten worden dan aan een koperen heatsink aan de ene kant en een kleine elektrische contact aan de andere bevestigd.

Kwaliteitscontrole

Het substraat waarop de semiconductorstructuur gekweekt wordt, moet aan bepaalde eisen voldoeten met betrekking tot kristalrichting, etspit dichtheid (EPD), onzuiverheidsconcentratie, substraatdikte en waferafmeting. De kristalrichting moet binnen enkele graden liggen. Etspitten, die rechthoekige heuvels of gaten zijn, worden onthuld door het substraat selectief te etsen met een of andere zurenoplossing. De etspitdichtheid (aantal etspitten per vierkante centimeter) wordt gebruikt voor het schatten van dislocatiedichtheid, wat de laserlevensduur beïnvloedt. Een EPD van 10³ per cm² of minder is vereist. Onzuiverheidsconcentraties liggen rond 10¹⁸ per kubieke centimeter. Substraten kunnen variëren in grootte tot 3 in (7,6 cm) in diameter en worden typisch in 350-micron dikke stukken gesneden.

Na het groeiproces wordt het oppervlak van het semiconductorwafer onderzocht met een optische microscoop. Om de gelaagde structuur te onderzoeken, wordt een gegrinde of gecleavede dwarsdoorsnede van het wafer gekleurd en geëtst om de contrast van de lagen te vergroten met een scanning elektronenmicroscoop. Röntgendiffractie wordt gebruikt om de samenstelling van de lagen te bepalen en de roosterpatronen van de structuur te meten. De onzuiverheidsconcentratie en brekingsindex van de lagen wordt ook gemeten met diverse analytische methoden. Na het fabriceren van het laserapparaat, worden dergelijke operationele parameters als spanning/stroom curves, drempelstroomdichtheid en spectrale kenmerken gemeten.

De Toekomst

Industrie analisten van Frost & Sullivan voorspellen dat de diode laser systemen markt bijna $4,6 miljard zal bereiken in 2005. Deze groei is deels te wijten aan uitbreidende toepassingen in materiaalbewerking naarmate hoge-vermogen diode lasers goedkoper worden dan vastestof lasers. De compacte grootte en elektrische efficiëntie maken hoge-vermogen semiconductor lasers ook aantrekkelijk voor industriële toepassingen zoals warmtebehandeling en lassen. Nieuwe materiessamenstellingen en verwerkingsmethoden worden ook ontwikkeld om de toepassingen uit te breiden.