Laser Semikonductor: Pembentukan Cahaya Presisi untuk Teknologi Modern

Latar Belakang

Laser, singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, adalah alat yang mengubah energi menjadi cahaya. Energi listrik atau optik digunakan untuk merangsang atom atau molekul, yang kemudian memancarkan cahaya. Laser terdiri dari ruang resonansi, dengan cermin datar atau bulat di ujungnya, yang terisi dengan bahan yang dapat dilas. Bahan ini dapat diubah ke keadaan semistabil oleh cahaya atau arus listrik. Bahan ini dapat berupa kristal, kaca, cairan, pewarna, atau gas asalkan dapat diubah dengan cara ini.

Ruang resonansi yang paling sederhana memiliki dua cermin, satu yang mencerminkan total dan satu yang mencerminkan antara 50 dan 99%. Saat cahaya memantul di antara cermin ini, intensitas meningkat. Karena cahaya laser berjalan sebagai sinar yang intens, laser menghasilkan cahaya yang sangat terang. Sinar laser juga dapat diproyeksi ke jarak jauh, dan dapat difokuskan ke titik yang sangat kecil.

Jenis cermin menentukan jenis sinar. 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, sinar sangat kolimasi (dibuat paralel). Sinar keluar di dekat satu ujung ruang resonansi ketika cermin cekung digunakan. Jenis sinar dalam kasus pertama membuat laser sangat berguna dalam kedokteran karena properti ini memungkinkan dokter untuk menargetkan area yang diinginkan dengan lebih akurat, menghindari kerusakan pada jaringan di sekitarnya.

Laser semikonductor mengubah energi listrik menjadi cahaya. Ini dimungkinkan dengan menggunakan bahan semikonductor, yang kemampuannya untuk menghantarkan listrik berada di antara konduktor dan isolator. Dengan mencemari semikonductor dengan jumlah impurity tertentu, jumlah elektron yang bermuatan negatif atau lubang yang bermuatan positif dapat diubah.

Dibandingkan dengan jenis laser lainnya, laser semikonductor kompak, andal, dan bertahan lama. Laser semikonductor terdiri dari dua komponen dasar, penguat optik dan resonansi. Penguat terbuat dari bahan semikonductor bandgap langsung yang didasarkan pada substrat arsenida galium (GaAs) atau InP. Ini adalah senyawa berdasarkan elemen Grup III dan Grup V dalam tabel periodik. Aliasi bahan ini dibentuk pada substrat sebagai struktur berlapis yang mengandung jumlah yang tepat dari bahan lain.

Resonansi terus-menerus mengelilingi cahaya melalui penguat dan membantu memfokuskannya. Komponen ini biasanya terdiri dari gelombang dan dua cermin datar-sejajar. Cermin ini dilapisi dengan bahan untuk meningkatkan atau menurunkan refleksi dan untuk meningkatkan daya tahan terhadap kerusakan dari densitas daya tinggi.

Performa dan biaya sebuah semikonductor tergantung pada daya keluaran, kecerahan, dan umur operasi. Daya penting karena menentukan throughput maksimal atau laju umpan dari suatu proses. Kecerahan tinggi, atau kemampuan untuk memfokuskan keluaran laser ke titik kecil, menentukan efisiensi daya. Umur penting karena semakin lama laser bertahan, semakin rendah biaya operasinya, yang sangat kritis dalam aplikasi industri.

Laser semikonductor yang paling sederhana terdiri dari satu pemancar yang menghasilkan lebih dari satu watt daya gelombang berkelanjutan. Untuk meningkatkan daya, bar dan modul multibar atau tumpukan telah dikembangkan. Bar adalah array 10 hingga 50 laser semikonductor individual yang berdampingan terintegrasi dalam satu chip dan tumpukan adalah array dua dimensi dari beberapa bar. Bar dapat menghasilkan 50 watt daya keluaran dan bertahan lebih dari 5.000 jam. Karena daya tinggi ini menghasilkan banyak panas, sistem pendingin harus diintegrasikan ke dalam desain.

Sejarah

Konsep di balik laser pertama kali diajukan 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 frekuensi, semakin besar energi yang dibawa oleh gelombang. Einstein dan seorang ilmuwan bernama S. N. Bose kemudian mengembangkan teori di balik fenomena kecenderungan foton untuk bepergian bersama.

Aksi laser pertama kali diregion mikro gelombang pada 1954 oleh pemenang Hadiah Nobel Charles Townes dan rekan-rekannya. Mereka memroyeksikan sinar molekul ammonia melalui sistem elektroda fokus. Ketika daya mikro gelombang dengan frekuensi yang sesuai dilewatkan melalui ruang resonansi, amplifikasi terjadi dan istilah Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (M.A.S.E.R.) lahir. Istilah laser pertama kali diukir pada 1957 oleh fisikawan Gordon Gould.

Townes juga bekerja sama dengan Arthur Schawlow dan keduanya mengajukan laser pada 1958, menerima paten pada 1960. Laser praktis pertama ditemukan pada tahun yang sama oleh fisikawan bernama Theodore Maiman, saat ia bekerja di Hughes Research Laboratories. Laser ini menggunakan kristal ruby merah muda yang dikelilingi oleh tabung flash yang tertutup dalam ruang resonansi silinder aluminium yang dipoles dan didinginkan dengan pendingan paksa. Dua tahun kemudian, ruby yang dapat las berkelanjutan dibuat dengan mengganti lampu flash dengan lampu arc.

Pada 1962, aksi laser dalam bahan semikonductor ditunjukkan oleh Robert Hall dan peneliti di General Electric, dengan peneliti AS lain segera menyusul. Membutuhkan sekitar satu dekade lagi untuk laser dioda semikonductor pertama yang dapat beroperasi pada suhu ruangan dikembangkan, yang pertama kali ditunjukkan oleh peneliti Rusia. Bell Labs mengikuti kesuksesan peneliti Rusia, sambil juga meningkatkan umur laser. Pada 1975, Diode Laser Labs dari New Jersey memperkenalkan laser semikonductor komersial suhu ruangan pertama.

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

Seiring meningkatnya daya, laser semikonductor telah meluas ke aplikasi lainnya. Sejak 1995, performa laser dioda daya tinggi telah lonjak sebesar faktor 25. Dengan keandalan yang lebih tinggi, sekelompok besar laser dioda sekarang dapat digabungkan untuk menciptakan “tumpukan” hingga 25 laser dioda individual.

Pada 1999, pendapatan laser-diode mewakili 64% dari semua laser yang dijual, naik dari 57% pada 1996, dan diproyeksikan akan mencapai 69% pada 2000. Dalam hal unit yang terjual, laser semikonductor telah menanggung sekitar 99% dari total (lebih dari 400 juta unit), yang berarti sebagian besar cahaya laser sekarang dihasilkan secara langsung atau tidak langsung (melalui pompa dioda) oleh laser semikonductor. Selain aplikasi industri, laser semikonductor digunakan sebagai sumber pompa untuk laser padat dan laser serat, dalam aplikasi grafik seperti koreksi warna dan pencetakan digital langsung ke piring, dan untuk aplikasi medis dan militer yang berbeda (iluminasi target dan pengukuran jarak). Pada 2000, Laser Focus World memperkirakan sekitar 34% laser terapi medis adalah tipe semikonductor.

Bahan Baku

Laser semikonductor konvensional terdiri dari semikonductor senyawa, arsenida galium. Bahan ini datang dalam bentuk ingot yang kemudian diproses lebih lanjut menjadi substrat di mana lapisan bahan lain ditambahkan. Bahan yang digunakan untuk membentuk lapisan ini diimbang dengan tepat sesuai dengan rumus tertentu. Bahan lain yang Laser double heterostruktur. digunakan untuk membuat tipe laser ini termasuk logam tertentu (seng, emas, dan tembaga) sebagai additif (dopant) atau elektroda, dan dioksida silikon sebagai isolator.

Desain

Desain dasar laser semikonductor terdiri dari “double heterostruktur.” Ini terdiri dari beberapa lapisan yang memiliki fungsi berbeda. Lapisan aktif atau penguat cahaya disandwich di antara dua lapisan cladding. Lapisan cladding ini menyediakan injeksi elektron ke lapisan aktif. Karena lapisan aktif memiliki indeks bias yang lebih besar dari lapisan cladding, cahaya terkunci di dalam lapisan aktif.

Performa laser dapat ditingkatkan dengan mengubah desain juncsi sehingga kerugian difraksi di ruang optik dapat dikurangi. Ini dimungkinkan dengan memodifikasi bahan laser untuk mengontrol indeks bias ruang resonansi dan lebar juncsi. Indeks bias bahan bergantung pada jenis dan jumlah impurity. Misalnya, jika sebagian galium di lapisan yang bermuatan positif diganti oleh aluminium, indeks bias berkurang dan cahaya laser lebih terbatas di ruang optik.

Lebar juncsi juga dapat mempengaruhi performa. Dimensi yang sempit membatasi arus ke satu garis sepanjang laser, meningkatkan densitas arus. Daya puncak harus dibatasi tidak lebih dari 400 watt per cm (0,4 in) panjang juncsi dan densitas arus kurang dari 6.500 ampere per sentimeter persegi di juncsi untuk memperpanjang umur laser.

Proses Manufaktur

Membuat substrat

• 1 Substrat dibuat menggunakan teknik penarikan kristal yang disebut metode Czochralski, di mana kristal tumbuh dari leleh. Elemen pertama dicampur bersama dan kemudian dipanaskan untuk membentuk larutan. Larutan kemudian didinginkan, yang mengeraskan bahan. Kristal benih ditempatkan di bawah lengan vertikal sehingga benih hampir menyentuh bahan di permukaan leleh. Lengan diangkat perlahan, dan kristal tumbuh di bawahnya di antarmuka antara kristal dan leleh. Biasanya kristar diarahkan perlahan untuk menghindari produksi impurity dalam kristal. Dengan mengukur berat kristal selama proses penarikan, kontrol komputer dapat mengubah laju penarikan untuk menghasilkan diameter yang diinginkan.

Menumbuhkan lapisan

• 2 Metode paling umum untuk menumbuhkan lapisan pada substrat disebut liquid-phase epitaxy (LPE). Lapisan yang memiliki arah pertumbuhan kristal yang sama atau tetap dengan substrat dapat ditumbuhkan pada substrat ketika substrat berkontak dengan larutan dari komposisi yang diinginkan. Seiring penurunan suhu, senyawa semikonductor (seperti GaAs) keluar dari larutan dalam bentuk kristal dan ditetapkan pada substrat.

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

• 3 Bahan sumber untuk lapisan pertama kali dicuci dan di-etched untuk membersihkan permukaan. Setelah mengeringkan bahan yang telah di-etched, mereka dimuat ke dalam setiap kotak leleh perahu grafit. Untuk menumbuhkan setiap lapisan, bahan pertama kali dilelehkan dengan memanaskan ke suhu tertentu dan kemudian pemegang substrat ditarik bersama dengan substrat dari leleh pertama ke berikutnya. Substrat dipertahankan di setiap leleh untuk waktu tertentu dengan laju pendingin tetap, biasanya 33°F (0.5°C) per menit, sesuai dengan program khusus yang dirancang untuk setiap komposisi. Suhu dikontrol secara otomatis menggunakan sensor termokopel.

Membuat perangkat laser

• 4 Setelah struktur berlapis ditumbuhkan, beberapa proses lainnya diselesaikan untuk membentuk perangkat laser. Pertama, substrat dipoles secara mekanis hingga ketebalannya berkurang menjadi 70-100 mikron dalam persiapan untuk pembelah. Kemudian, film dioksida silikon yang sangat tipis dibentuk pada permukaan substrat. Strip dibentuk oleh fotolitografi dan pengasetan kimia. Elektroda kontak diterapkan menggunakan metode penguapan. Kemudian, resonansi laser dibentuk dengan membelah wafer sepanjang bidang kristal paralel. Perangkat laser yang selesai kemudian dilekatkan pada penyejuk tembaga di satu sisi dan kontak listrik kecil di sisi lainnya.

Kontrol Kualitas

Substrat di mana struktur semikonductor ditumbuhkan harus memenuhi persyaratan tertentu mengenai arah kristal, densitas lubang etsa (EPD), konsentrasi impurity, ketebalan substrat, dan ukuran wafer. Arah kristal harus berada dalam beberapa derajat. Lubang etsa, yang adalah bukit atau lubang persegi panjang, terungkap dengan secara selektif meng-etch substrat dengan beberapa jenis larutan asam. Densitas lubang etsa (jumlah lubang etsa per sentimeter persegi) digunakan untuk memperkirakan densitas dislokasi, yang mempengaruhi umur laser. EPD 10 ³ per sentimeter persegi atau kurang diperlukan. Konsentrasi impurity sekitar 10 ¹⁸ per sentimeter kubik. Substrat dapat bervariasi ukuran hingga 3 in (7,6 cm) diameter dan biasanya diiris menjadi potongan tebal 350 mikron.

Setelah proses pertumbuhan, permukaan wafer semikonductor diperiksa dengan mikroskop optik. Untuk memeriksa struktur berlapis, potongan melintang wafer yang digosok atau dibelah dicemaskan dan di-etched untuk meningkatkan kontras lapisan menggunakan mikroskop elektron pemindai. Difraksi sinar-X digunakan untuk menentukan komposisi lapisan dan untuk mengukur pola jaring struktur. Konsentrasi impurity dan indeks bias lapisan juga diukur menggunakan beberapa metode analisis. Setelah perangkat laser difabriksikan, parameter operasi seperti kurva tegangan/arus, densitas arus ambang, dan karakteristik spektral diukur.

Masa Depan

Analis industri dari Frost & Sullivan memprediksi bahwa pasar sistem laser dioda akan mencapai hampir $4,6 miliar pada 2005. Pertumbuhan ini sebagian karena aplikasi yang meluas dalam pemrosesan bahan seiring dengan laser dioda daya tinggi yang lebih murah daripada laser padat. Ukuran yang kompak dan efisiensi listrik juga membuat laser semikonductor daya tinggi menarik untuk aplikasi industri seperti pemanasan dan pengelasan. Komposisi bahan baru dan metode pemrosesan juga sedang dikembangkan untuk memperluas aplikasi.