Laser à semi-conducteur

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Contexte

Un laser, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, est un appareil qui convertit l'énergie en lumière. L'énergie électrique ou optique est utilisée pour exciter des atomes ou des molécules, qui émettent alors de la lumière. Un laser se compose d'une cavité, avec des miroirs plans ou sphériques aux extrémités, qui est remplie de matériau lasable. Ce matériau peut être excité jusqu'à un état semi-stable par la lumière ou une décharge électrique. Le matériau peut être un cristal, un verre, un liquide, un colorant ou un gaz tant qu'il peut être excité de cette manière.

La cavité la plus simple a deux miroirs, un qui réfléchit totalement et un qui réfléchit entre 50 et 99%. Au fur et à mesure que la lumière rebondit entre ces miroirs, l'intensité augmente. Étant donné que la lumière laser se déplace sous la forme d'un faisceau intense, le laser produit une lumière très brillante. Les faisceaux laser peuvent également être projetés sur de grandes distances et focalisés sur un très petit point.

Le type de miroir détermine le type de faisceau. Un faisceau très lumineux, hautement monochromatique (une longueur d'onde ou une couleur) et cohérent est produit lorsqu'un miroir ne transmet que 1 à 2 % de la lumière. Si des miroirs plans sont utilisés, le faisceau est fortement collimaté (rendu parallèle). Le faisceau sort près d'une extrémité de la cavité lorsque des miroirs concaves sont utilisés. Le type de faisceau dans le premier cas rend les lasers très utiles en médecine car ces propriétés permettent au médecin de cibler plus précisément la zone souhaitée, en évitant d'endommager les tissus environnants.

Un laser à semi-conducteur convertit l'énergie électrique en lumière. Ceci est rendu possible en utilisant un matériau semi-conducteur, dont la capacité à conduire l'électricité se situe entre celle des conducteurs et des isolants. En dopant un semi-conducteur avec des quantités spécifiques d'impuretés, le nombre d'électrons chargés négativement ou de trous chargés positivement peut être modifié.

Par rapport aux autres types de laser, les lasers à semi-conducteurs sont compacts, fiables et durent longtemps. De tels lasers se composent de deux composants de base, un amplificateur optique et un résonateur. L'amplificateur est constitué d'un matériau semi-conducteur à bande interdite directe à base d'arséniure de gallium (GaAs) ou de substrats InP. Ce sont des composés basés sur les éléments des groupes III et V du tableau périodique. Des alliages de ces matériaux sont formés sur les substrats sous forme de structures en couches contenant des quantités précises d'autres matériaux.

Le résonateur fait recirculer en permanence la lumière à travers l'amplificateur et aide à la focaliser. Ce composant est généralement constitué d'un guide d'onde et de deux miroirs plans parallèles. Ces miroirs sont recouverts d'un matériau pour augmenter ou diminuer la réflectivité et pour améliorer la résistance aux dommages causés par les densités de puissance élevées.

Les performances et le coût d'un semi-conducteur dépendent de sa puissance de sortie, de sa luminosité et de sa durée de vie. La puissance est importante car elle détermine le débit ou la vitesse d'alimentation maximum d'un processus. Une luminosité élevée, ou la capacité de focaliser la sortie laser sur un petit point, détermine l'efficacité énergétique. La durée de vie est importante car plus un laser dure longtemps, moins il coûte cher à utiliser, ce qui est particulièrement critique dans les applications industrielles.

Les lasers à semi-conducteurs les plus simples se composent d'un seul émetteur qui produit plus d'un watt de puissance d'onde continue. Pour augmenter la puissance, des barres et des modules ou empilements multibars ont été développés. Une barre est un réseau de 10 à 50 lasers à semi-conducteurs individuels côte à côte intégrés dans une seule puce et une pile est un réseau bidimensionnel de plusieurs barres. Les barres peuvent produire 50 watts de puissance de sortie et durer plus de 5 000 heures. Étant donné que des puissances aussi élevées produisent beaucoup de chaleur, des systèmes de refroidissement doivent être intégrés à la conception.

Historique

Le concept des lasers a été proposé pour la première fois par Albert Einstein, qui a montré que la lumière est constituée d'énergies ondulatoires appelées photons. Chaque photon a une énergie qui correspond à la fréquence des ondes. Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie transportée par les ondes est importante. Einstein et un autre scientifique nommé S. N. Bose ont ensuite développé la théorie derrière le phénomène de la tendance des photons à voyager ensemble.

L'action laser a été démontrée pour la première fois dans la région des micro-ondes en 1954 par le lauréat du prix Nobel Charles Townes et ses collègues. Ils ont projeté un faisceau de molécules d'ammoniac à travers un système d'électrodes de focalisation. Lorsque la puissance des micro-ondes de la fréquence appropriée a été transmise à travers la cavité, une amplification s'est produite et le terme amplification par micro-ondes par émission stimulée de rayonnement (M.A.S.E.R.) est né. Le terme laser a été inventé pour la première fois en 1957 par le physicien Gordon Gould.

Townes a également travaillé avec Arthur Schawlow et les deux ont proposé le laser en 1958, recevant un brevet en 1960. Le premier laser pratique a été inventé la même année par un physicien nommé Theodore Maiman, alors qu'il était employé aux laboratoires de recherche Hughes. Ce laser utilisait un cristal de rubis rose entouré d'un tube éclair enfermé dans une cavité cylindrique en aluminium poli refroidie par air pulsé. Deux ans plus tard, un rubis laser continu a été fabriqué en remplaçant la lampe flash par une lampe à arc.

En 1962, l'action du laser dans un matériau semi-conducteur a été démontrée par Robert Hall et des chercheurs de General Electric, suivis peu après par d'autres chercheurs américains. Il a fallu environ une décennie supplémentaire pour développer le premier laser à diode à semi-conducteur pouvant fonctionner à température ambiante, ce qui a été démontré pour la première fois par des chercheurs russes. Les Bell Labs ont suivi le succès des chercheurs russes, tout en améliorant la durée de vie des lasers. En 1975, Diode Laser Labs du New Jersey a lancé le premier laser commercial à semi-conducteur à température ambiante.

Malgré ces progrès, ces lasers étaient encore insuffisants pour les applications de télécommunications. Au lieu de cela, ils ont trouvé une large utilisation (après d'autres améliorations de performances et de durée de vie) dans les disques compacts audio après que Philips (Pays-Bas) et Sony (Japon) aient développé un CD en 1980 en utilisant un laser à diode. À la fin de la décennie, des dizaines de millions de lecteurs de CD étaient vendus chaque année. Plus récemment, des disques vidéo numériques sont devenus disponibles pour le stockage optique, qui sont également basés sur des lasers à diodes.

Avec l'augmentation de la puissance, les lasers à semi-conducteur se sont étendus à d'autres applications. Depuis 1995, les performances des diodes laser haute puissance ont été multipliées par 25. Grâce à cette fiabilité accrue, de grands groupes de diodes laser peuvent désormais être combinés pour créer des « piles » de jusqu'à 25 diodes laser individuelles.

En 1999, les revenus des diodes laser représentaient 64 % de tous les lasers vendus, contre 57 % en 1996, et devraient atteindre 69 % en 2000. En termes d'unités vendues, les lasers à semi-conducteurs ont représenté environ 99 % du total ( plus de 400 millions d'unités), ce qui signifie que la majeure partie de la lumière laser est désormais produite directement ou indirectement (via un pompage par diode) par des lasers à semi-conducteurs. En plus des applications industrielles, les lasers à semi-conducteurs sont utilisés comme sources de pompage pour les lasers à solide et les lasers à fibre, dans des applications graphiques telles que l'épreuvage couleur et l'impression numérique directe sur plaque, et pour diverses applications médicales et militaires (éclairage de cible et télémétrie ). En 2000, Laser Focus World ont estimé qu'environ 34 % des lasers de thérapie médicale étaient de type semi-conducteur.

Matières premières

Le laser à semi-conducteur conventionnel est constitué d'un semi-conducteur composé, l'arséniure de gallium. Ce matériau se présente sous la forme de lingots qui sont ensuite transformés en substrats auxquels des couches d'autres matériaux sont ajoutées. Les matériaux utilisés pour former ces couches sont précisément pesés selon une formule précise. D'autres matériaux qui sont Un laser à double hétérostructure. utilisés pour fabriquer ce type de laser comprennent certains métaux (zinc, or et cuivre) comme additifs (dopants) ou électrodes, et le dioxyde de silicium comme isolant.

Conception

La conception de base d'un laser à semi-conducteur consiste en une "double hétérostructure". Il se compose de plusieurs couches qui ont des fonctions différentes. Une couche active ou d'amplification de lumière est prise en sandwich entre deux couches de gainage. Ces couches de gaine assurent l'injection d'électrons dans la couche active. Du fait que la couche active a un indice de réfraction supérieur à ceux des couches de gainage, la lumière est confinée dans la couche active.

Les performances du laser peuvent être améliorées en modifiant la conception de la jonction de manière à réduire la perte de diffraction dans la cavité optique. Ceci est rendu possible en modifiant le matériau laser pour contrôler l'indice de réfraction de la cavité et la largeur de la jonction. L'indice de réfraction du matériau dépend du type et de la quantité d'impureté. Par exemple, si une partie du gallium dans la couche chargée positivement est remplacée par de l'aluminium, l'indice de réfraction est réduit et la lumière laser est mieux confinée dans la cavité optique.

La largeur de la jonction peut également affecter les performances. Une dimension étroite confine le courant à une seule ligne le long de la longueur du laser, augmentant la densité de courant. La puissance de sortie de crête doit être limitée à pas plus de 400 watts par cm (0,4 in) de longueur de la jonction et la densité de courant à moins de 6 500 ampères par centimètre carré à la jonction pour prolonger la durée de vie du laser.

Le processus de fabrication

Réalisation du substrat

• 1 Les substrats sont fabriqués à l'aide d'une technique de tirage de cristal appelée méthode de Czochralski, où un cristal est développé à partir d'une masse fondue. Les éléments sont d'abord mélangés puis chauffés pour former une solution. La solution est ensuite refroidie, ce qui solidifie le matériau. Un germe de cristal est fixé au bas d'un bras vertical de sorte que le germe entre à peine en contact avec le matériau à la surface de la masse fondue. Le bras est levé lentement et un cristal se développe en dessous à l'interface entre le cristal et la masse fondue. Habituellement, le cristal tourne lentement afin d'éviter de produire des impuretés dans le cristal. En mesurant le poids du cristal pendant le processus de tirage, les commandes informatiques peuvent faire varier la vitesse de tirage pour produire le diamètre souhaité.

Croissance des calques

• 2 La méthode la plus courante pour faire croître les couches sur le substrat est appelée épitaxie en phase liquide (LPE). Des couches qui ont la même direction de croissance cristalline ou fixe que celle du substrat peuvent être développées sur le substrat lorsque le substrat entre en contact avec une solution de la composition souhaitée. Lorsque la température diminue, le composé semi-conducteur (tel que GaAs) sort de la solution sous forme cristalline et se dépose sur le substrat.

  Un système LPE se compose d'un réacteur (où les couches sont développées), d'un système de chargement de substrat, d'un système de pompe et d'échappement (pour éliminer l'air ou les gaz impurs après l'introduction ou la sortie des matériaux), un système d'écoulement de gaz (pour déplacer de l'hydrogène gazeux à travers le réacteur pour éliminer les gaz impurs) et un système de contrôle de la température. Des matériaux purs sont utilisés pour fabriquer le réacteur afin que les couches ne soient pas contaminées. La boîte de chargement est généralement remplie d'azote gazeux pour purger l'air lors de l'ouverture du réacteur. Le réacteur se compose généralement d'un tube de quartz, dans lequel une nacelle en graphite et un support de nacelle sont placés. Le bateau en graphite se compose d'un cadre extérieur, d'un support de substrat, d'une entretoise et d'une boîte de fusion.

• 3 Les matériaux sources des couches sont d'abord rincés et gravés afin de nettoyer la surface. Après séchage des matériaux gravés, ils sont chargés dans chaque boîte de fusion de la nacelle en graphite. Pour faire croître chaque couche, les matériaux sont d'abord fondus en chauffant à une température spécifique, puis le support de substrat est tiré avec le substrat de la première fusion à la suivante. Le substrat est maintenu à chaque fusion pendant un certain temps sous une vitesse de refroidissement fixe, généralement 33°F (0,5°C) par minute, selon un programme spécifique conçu pour chaque composition. La température est contrôlée automatiquement à l'aide de capteurs à thermocouple.

Fabrication du dispositif laser

• 4 Une fois la structure en couches développée, plusieurs autres processus sont terminés pour former le dispositif laser. Tout d'abord, le substrat est poli mécaniquement jusqu'à ce que l'épaisseur diminue à 70-100 microns en vue du clivage. Ensuite, un silicium très fin un film de dioxyde est formé sur la surface du substrat. Les rayures sont formées par photolithographie et gravure chimique. Les électrodes de contact sont appliquées en utilisant une méthode d'évaporation. Ensuite, un résonateur laser est formé en clivant la plaquette le long de plans cristallins parallèles. Les dispositifs laser terminés sont ensuite fixés à un dissipateur thermique en cuivre d'un côté et à un petit contact électrique de l'autre.

Contrôle qualité

Le substrat sur lequel la structure semi-conductrice est développée doit répondre à certaines exigences concernant la direction du cristal, la densité des piqûres de gravure (EPD), la concentration en impuretés, l'épaisseur du substrat et la taille de la tranche. La direction du cristal doit être à quelques degrés près. Les piqûres de gravure, qui sont des collines ou des trous rectangulaires, sont révélées en gravant sélectivement le substrat avec un certain type de solution acide. La densité de piqûres de gravure (nombre de piqûres de gravure par centimètre carré) est utilisée pour estimer la densité de dislocation, ce qui affecte la durée de vie du laser. Un EPD de 10 ³ par centimètre carré ou moins est requis. Les concentrations d'impuretés sont d'environ 10 ¹⁸ par centimètre cube. Les substrats peuvent mesurer jusqu'à 7,6 cm de diamètre et sont généralement tranchés en morceaux de 350 microns d'épaisseur.

Après le processus de croissance, la surface de la plaquette semi-conductrice est examinée au microscope optique. Pour examiner la structure en couches, une section transversale rectifiée ou clivée de la plaquette est colorée et gravée pour augmenter le contraste des couches à l'aide d'un microscope électronique à balayage. La diffraction des rayons X est utilisée pour déterminer les compositions des couches et pour mesurer les motifs de maille de la structure. La concentration en impuretés et l'indice de réfraction des couches sont également mesurés à l'aide de plusieurs méthodes analytiques. Une fois le dispositif laser fabriqué, des paramètres de fonctionnement tels que les courbes tension/courant, la densité de courant seuil et les caractéristiques spectrales sont mesurés.

Le futur

Les analystes industriels de Frost &Sullivan prévoient que le marché des systèmes laser à diode atteindra près de 4,6 milliards de dollars d'ici 2005. Cette croissance est en partie due à l'expansion des applications dans le traitement des matériaux, car les lasers à diode haute puissance deviennent moins chers que les lasers à solide. La taille compacte et l'efficacité électrique rendent également les lasers à semi-conducteurs haute puissance attrayants pour les applications industrielles telles que le traitement thermique et le soudage. De nouvelles compositions de matériaux et méthodes de traitement sont également en cours de développement pour étendre les applications.