Laser Semikonduktor

Latar Belakang

Laser, yang merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, adalah perangkat yang mengubah energi menjadi cahaya. Energi listrik atau optik digunakan untuk mengeksitasi atom atau molekul, yang kemudian memancarkan cahaya. Laser terdiri dari rongga, dengan cermin datar atau bulat di ujungnya, yang diisi dengan bahan yang dapat dilas. Bahan ini dapat tereksitasi ke keadaan semistabil oleh cahaya atau pelepasan listrik. Bahannya bisa berupa kristal, gelas, cairan, pewarna, atau gas asalkan dapat dieksitasi dengan cara ini.

Rongga paling sederhana memiliki dua cermin, satu yang benar-benar mencerminkan dan satu yang mencerminkan antara 50 dan 99%. Saat cahaya memantul di antara cermin-cermin ini, intensitasnya meningkat. Karena sinar laser bergerak sebagai sinar yang intens, laser menghasilkan cahaya yang sangat terang. Sinar laser juga dapat diproyeksikan dari jarak yang jauh, dan dapat difokuskan ke tempat yang sangat kecil.

Jenis cermin menentukan jenis balok. Sinar yang sangat terang, sangat monokromatik (satu panjang gelombang atau satu warna) dan koheren dihasilkan ketika satu cermin hanya mentransmisikan 1-2% cahaya. Jika cermin datar digunakan, balok sangat kolimasi (dibuat paralel). Sinar keluar di dekat salah satu ujung rongga ketika cermin cekung digunakan. Jenis sinar dalam kasus pertama membuat laser sangat berguna dalam pengobatan karena sifat ini memungkinkan dokter untuk menargetkan area yang diinginkan dengan lebih akurat, menghindari kerusakan pada jaringan di sekitarnya.

Sebuah laser semikonduktor mengubah energi listrik menjadi cahaya. Hal ini dimungkinkan dengan menggunakan bahan semikonduktor, yang kemampuannya menghantarkan listrik berada di antara konduktor dan isolator. Dengan mendoping semikonduktor dengan jumlah pengotor tertentu, jumlah elektron bermuatan negatif atau lubang bermuatan positif dapat diubah.

Dibandingkan dengan jenis laser lainnya, laser semikonduktor kompak, andal, dan bertahan lama. Laser tersebut terdiri dari dua komponen dasar, penguat optik dan resonator. Amplifier dibuat dari bahan semikonduktor celah pita langsung berdasarkan substrat gallium arsenide (GaAs) atau InP. Ini adalah senyawa berdasarkan unsur Golongan III dan Golongan V dalam tabel periodik. Paduan bahan-bahan ini dibentuk ke substrat sebagai struktur berlapis yang mengandung jumlah bahan lain yang tepat.

Resonator terus-menerus mensirkulasikan kembali cahaya melalui amplifier dan membantu memfokuskannya. Komponen ini biasanya terdiri dari pandu gelombang dan dua cermin sejajar bidang. Cermin ini dilapisi dengan bahan untuk menambah atau mengurangi reflektifitas dan untuk meningkatkan ketahanan terhadap kerusakan dari kepadatan daya tinggi.

Kinerja dan biaya semikonduktor bergantung pada daya keluaran, kecerahan, dan masa pakainya. Daya penting karena menentukan throughput atau laju umpan maksimum dari suatu proses. Kecerahan tinggi, atau kemampuan untuk memfokuskan keluaran laser ke titik kecil, menentukan efisiensi daya. Masa pakai penting karena semakin lama laser bertahan, semakin sedikit biaya pengoperasian, yang sangat penting dalam aplikasi industri.

Laser semikonduktor paling sederhana terdiri dari pemancar tunggal yang menghasilkan lebih dari satu watt daya gelombang kontinu. Untuk meningkatkan daya, modul atau tumpukan batang dan multibar telah dikembangkan. Batang adalah larik dari 10 hingga 50 laser semikonduktor individu berdampingan yang terintegrasi ke dalam satu chip dan tumpukan adalah larik dua dimensi dari beberapa batang. Batangan dapat menghasilkan daya keluaran 50 watt dan bertahan lebih dari 5.000 jam. Karena daya tinggi seperti itu menghasilkan banyak panas, sistem pendingin harus dimasukkan ke dalam desain.

Sejarah

Konsep di balik laser pertama kali diusulkan oleh Albert Einstein, yang menunjukkan bahwa cahaya terdiri dari energi gelombang yang disebut foton. Setiap foton memiliki energi yang sesuai dengan frekuensi gelombang. Semakin tinggi frekuensinya, semakin besar energi yang dibawa gelombang. Einstein dan ilmuwan lain bernama S.N. Bose kemudian mengembangkan teori di balik fenomena kecenderungan foton untuk melakukan perjalanan bersama.

Tindakan laser pertama kali ditunjukkan di wilayah gelombang mikro pada tahun 1954 oleh pemenang Hadiah Nobel Charles Townes dan rekan kerjanya. Mereka memproyeksikan seberkas molekul amonia melalui sistem elektroda pemfokusan. Ketika daya gelombang mikro dengan frekuensi yang sesuai dilewatkan melalui rongga, amplifikasi terjadi dan istilah Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (M.A.S.E.R.) lahir. Istilah laser pertama kali diciptakan pada tahun 1957 oleh fisikawan Gordon Gould.

Townes juga bekerja dengan Arthur Schawlow dan keduanya mengusulkan laser pada tahun 1958, menerima paten pada tahun 1960. Laser praktis pertama ditemukan pada tahun yang sama oleh seorang fisikawan bernama Theodore Maiman, ketika dia bekerja di Hughes Research Laboratories. Laser ini menggunakan kristal ruby ​​​​merah muda yang dikelilingi oleh tabung flash yang tertutup di dalam rongga silinder aluminium yang dipoles yang didinginkan oleh udara paksa. Dua tahun kemudian, rubi penguat kontinu dibuat dengan mengganti lampu kilat dengan lampu busur.

Pada tahun 1962, tindakan laser dalam bahan semikonduktor ditunjukkan oleh Robert Hall dan peneliti di General Electric, dengan peneliti Amerika Serikat lainnya segera menyusul. Butuh sekitar satu dekade lagi untuk mengembangkan laser dioda semikonduktor pertama yang dapat beroperasi pada suhu kamar, yang pertama kali ditunjukkan oleh para peneliti Rusia. Bell Labs mengikuti kesuksesan para peneliti Rusia, sambil juga meningkatkan masa pakai laser. Pada tahun 1975, Diode Laser Labs of New Jersey memperkenalkan laser semikonduktor suhu kamar komersial pertama.

Meskipun kemajuan ini, laser ini masih tidak memadai untuk aplikasi telekomunikasi. Sebaliknya mereka menemukan penggunaan yang luas (setelah peningkatan kinerja dan seumur hidup lainnya) dalam compact disk audio setelah Philips (Belanda) dan Sony (Jepang) mengembangkan CD pada tahun 1980 menggunakan laser dioda. Pada akhir dekade, puluhan juta pemutar CD terjual setiap tahun. Baru-baru ini, disk video digital telah tersedia untuk penyimpanan optik, yang juga didasarkan pada laser dioda.

Karena daya telah meningkat, laser semikonduktor telah berkembang ke aplikasi lain. Sejak tahun 1995, kinerja laser dioda daya tinggi telah melonjak 25 kali lipat. Dengan keandalan yang lebih tinggi ini, kelompok besar laser dioda sekarang dapat digabungkan untuk membuat "tumpukan" hingga 25 laser dioda individu.

Pada tahun 1999, pendapatan dioda laser mewakili 64% dari semua laser yang terjual, naik dari 57% pada tahun 1996, dan diproyeksikan mencapai 69% pada tahun 2000. Dalam hal unit yang terjual, laser semikonduktor telah menyumbang sekitar 99% dari total ( lebih dari 400 juta unit), yang berarti sebagian besar sinar laser sekarang diproduksi secara langsung atau tidak langsung (melalui pemompaan dioda) oleh laser semikonduktor. Selain aplikasi industri, laser semikonduktor digunakan sebagai sumber pompa untuk laser solid state dan laser serat, dalam aplikasi grafis seperti pemeriksaan warna dan pencetakan langsung ke pelat digital, dan untuk berbagai aplikasi medis dan militer (penerangan target dan jangkauan). ). Pada tahun 2000, Dunia Fokus Laser memperkirakan bahwa sekitar 34% dari laser terapi medis adalah dari jenis semikonduktor.

Bahan Baku

Laser semikonduktor konvensional terdiri dari senyawa semikonduktor, galium arsenida. Bahan ini datang dalam bentuk batangan yang kemudian diproses lebih lanjut menjadi substrat yang ditambahkan lapisan bahan lain. Bahan-bahan yang digunakan untuk membentuk lapisan-lapisan ini ditimbang secara tepat menurut formula tertentu. Bahan lainnya yaitu Laser heterostruktur ganda. yang digunakan untuk membuat jenis laser ini antara lain logam tertentu (seng, emas, dan tembaga) sebagai zat aditif (dopan) atau elektroda, dan silikon dioksida sebagai isolator.

Desain

Desain dasar laser semikonduktor terdiri dari "heterostruktur ganda". Ini terdiri dari beberapa lapisan yang memiliki fungsi berbeda. Lapisan amplifikasi aktif atau ringan diapit di antara dua lapisan kelongsong. Lapisan kelongsong ini memberikan injeksi elektron ke lapisan aktif. Karena lapisan aktif memiliki indeks bias yang lebih besar daripada lapisan kelongsong, cahaya terbatas pada lapisan aktif.

Kinerja laser dapat ditingkatkan dengan mengubah desain sambungan sehingga kehilangan difraksi dalam rongga optik berkurang. Ini dimungkinkan dengan memodifikasi bahan laser untuk mengontrol indeks bias rongga dan lebar sambungan. Indeks bias bahan tergantung pada jenis dan jumlah pengotor. Misalnya, jika bagian dari galium di lapisan bermuatan positif diganti dengan aluminium, indeks bias berkurang dan sinar laser lebih baik terbatas pada rongga optik.

Lebar persimpangan juga dapat mempengaruhi kinerja. Dimensi sempit membatasi arus ke satu garis di sepanjang laser, meningkatkan kerapatan arus. Output daya puncak harus dibatasi tidak lebih dari 400 watt per cm (0,4 inci) panjang sambungan dan rapat arus hingga kurang dari 6.500 ampere per sentimeter kuadrat pada sambungan untuk memperpanjang masa pakai laser.

Proses Pembuatan

Membuat substrat

• 1 Substrat dibuat menggunakan teknik penarikan kristal yang disebut metode Czochralski, di mana kristal ditumbuhkan dari lelehan. Unsur-unsur pertama dicampur bersama dan kemudian dipanaskan untuk membentuk larutan. Solusinya kemudian didinginkan, yang memadatkan material. Sebuah kristal benih melekat pada bagian bawah lengan vertikal sehingga benih hampir tidak menyentuh bahan pada permukaan lelehan. Lengan diangkat perlahan, dan kristal tumbuh di bawahnya pada antarmuka antara kristal dan lelehan. Biasanya kristal diputar secara perlahan agar tidak menghasilkan pengotor pada kristal. Dengan mengukur berat kristal selama proses penarikan, kontrol komputer dapat memvariasikan laju penarikan untuk menghasilkan diameter yang diinginkan.

Menumbuhkan lapisan

• 2 Metode yang paling umum untuk menumbuhkan lapisan ke substrat disebut epitaksi fase cair (LPE). Lapisan yang memiliki arah pertumbuhan kristal yang sama atau tetap seperti substrat dapat ditumbuhkan pada substrat ketika substrat bersentuhan dengan larutan dengan komposisi yang diinginkan. Saat suhu diturunkan, senyawa semikonduktor (seperti GaAs) keluar dari larutan dalam bentuk kristal dan diendapkan ke substrat.

  Sistem LPE terdiri dari reaktor (tempat lapisan tumbuh), sistem pemuatan substrat, pompa dan sistem pembuangan (untuk menghilangkan udara atau gas tidak murni setelah bahan dimasukkan atau dikeluarkan), sistem aliran gas (untuk memindahkan gas hidrogen melalui reaktor untuk menghilangkan gas tidak murni) dan sistem kontrol suhu. Bahan murni digunakan untuk membuat reaktor agar lapisan tidak terkontaminasi. Kotak pemuatan biasanya diisi dengan gas nitrogen untuk membersihkan udara saat membuka reaktor. Reaktor biasanya terdiri dari tabung kuarsa, di mana perahu grafit dan dudukan perahu ditempatkan. Perahu grafit terdiri dari bingkai luar, dudukan substrat, spacer, dan kotak leleh.

• 3 Bahan sumber untuk lapisan pertama-tama dibilas dan digores untuk membersihkan permukaan. Setelah mengeringkan bahan yang tergores, bahan tersebut dimasukkan ke dalam setiap kotak lelehan perahu grafit. Untuk menumbuhkan setiap lapisan, bahan pertama-tama dilebur dengan pemanasan hingga suhu tertentu dan kemudian pemegang substrat ditarik bersama dengan substrat dari lelehan pertama ke yang berikutnya. Substrat disimpan pada setiap lelehan untuk waktu tertentu di bawah laju pendinginan tetap, biasanya 33°F (0,5°C) per menit, menurut program khusus yang dirancang untuk setiap komposisi. Suhu dikontrol secara otomatis menggunakan sensor termokopel.

Membuat perangkat laser

• 4 Setelah struktur berlapis tumbuh, beberapa proses lain diselesaikan untuk membentuk perangkat laser. Pertama, substrat dipoles secara mekanis hingga ketebalannya berkurang hingga 70-100 mikron sebagai persiapan untuk pembelahan. Selanjutnya, silikon . yang sangat tipis film dioksida terbentuk pada permukaan substrat. Garis-garis dibentuk oleh fotolitografi dan etsa kimia. Elektroda kontak diterapkan menggunakan metode penguapan. Selanjutnya, resonator laser dibentuk dengan membelah wafer di sepanjang bidang kristal paralel. Perangkat laser yang telah selesai kemudian dipasang ke heat sink tembaga di satu sisi dan kontak listrik kecil di sisi lain.

Kontrol Kualitas

Substrat di mana struktur semikonduktor tumbuh harus memenuhi persyaratan tertentu mengenai arah kristal, densitas lubang etsa (EPD), konsentrasi pengotor, ketebalan substrat, dan ukuran wafer. Arah kristal harus dalam beberapa derajat. Lubang etsa, yang merupakan bukit atau lubang persegi panjang, terungkap dengan mengetsa substrat secara selektif dengan beberapa jenis larutan asam. Kepadatan lubang etsa (jumlah lubang etsa per sentimeter persegi) digunakan untuk memperkirakan kepadatan dislokasi, yang mempengaruhi masa pakai laser. EPD 10 ³ per sentimeter kuadrat atau kurang diperlukan. Konsentrasi pengotor sekitar 10 ¹⁸ per sentimeter kubik. Substrat dapat berkisar dalam ukuran hingga 3 inci (7,6 cm) dengan diameter dan biasanya diiris menjadi potongan-potongan setebal 350 mikron.

Setelah proses pertumbuhan, permukaan wafer semikonduktor diperiksa dengan mikroskop optik. Untuk memeriksa struktur berlapis, penampang wafer yang dibelah atau digerus diwarnai dan digores untuk meningkatkan kontras lapisan menggunakan mikroskop elektron pemindaian. Difraksi sinar-X digunakan untuk menentukan komposisi lapisan dan untuk mengukur pola kisi struktur. Konsentrasi pengotor dan indeks bias lapisan juga diukur dengan menggunakan beberapa metode analitik. Setelah perangkat laser dibuat, parameter operasi seperti kurva tegangan/arus, kerapatan arus ambang dan karakteristik spektral diukur.

Masa Depan

Analis industri dari Frost &Sullivan memperkirakan bahwa pasar sistem laser dioda akan mencapai hampir $4,6 miliar pada tahun 2005. Pertumbuhan ini sebagian disebabkan oleh perluasan aplikasi dalam pemrosesan bahan karena laser dioda daya tinggi menjadi lebih murah daripada laser solid state. Ukurannya yang ringkas dan efisiensi listrik juga membuat laser semikonduktor berdaya tinggi menarik untuk aplikasi industri seperti perlakuan panas dan pengelasan. Komposisi material baru dan metode pemrosesan juga sedang dikembangkan untuk memperluas aplikasi.