Lasers à semi-conducteurs : Génération de lumière de précision pour la technologie moderne

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Contexte

Un laser, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, est un dispositif convertissant l'énergie en lumière. De l'énergie électrique ou optique excite atomes ou molécules, qui émettent alors de la lumière. Un laser consiste en une cavité, avec miroirs plans ou sphériques aux extrémités, remplie de matériau lasable. Ce matériau peut être excité à un état métastable par lumière ou décharge électrique. Il peut être un cristal, verre, liquide, colorant, ou gaz tant qu'il peut être excité ainsi.

La cavité la plus simple a deux miroirs, l'un totalement réfléchissant et l'autre réfléchissant entre 50 et 99 %. Alors que la lumière rebondit entre ces miroirs, l'intensité augmente. Comme la lumière laser voyage en faisceau intense, le laser produit une lumière très brillante. Les faisceaux laser peuvent aussi être projetés sur de grandes distances, et focalisés sur un spot très petit.

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

Un laser à semi-conducteur convertit l'énergie électrique en lumière. Ceci est 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.

Comparés aux autres types de lasers, les lasers à semi-conducteurs sont compacts, fiables et durables. Ils consistent en deux composants de base : un amplificateur optique et un résonateur. L'amplificateur est fait d'un matériau semi-conducteur à bande interdite directe basé soit sur l'arséniure de gallium (GaAs) soit sur des 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 recircule continuellement la lumière à travers l'amplificateur et aide à la focaliser. Ce composant consiste généralement en un guide d'onde et deux miroirs plans-parallèles. Ces miroirs sont revêtus d'un matériau pour augmenter ou diminuer la réflectivité et améliorer la résistance aux dommages des densités de puissance élevées.

La performance et le coût d'un semi-conducteur dépendent de sa puissance de sortie, de sa brillance et de sa durée de vie. La puissance est importante car elle détermine le débit maximal ou le taux d'alimentation d'un processus. La brillance élevée, ou la capacité à focaliser la sortie laser sur un petit spot, détermine l'efficacité énergétique. La durée de vie est importante car plus un laser dure, moins il coûte à exploiter, ce qui est particulièrement critique dans les applications industrielles.

Les lasers à semi-conducteurs les plus simples consistent en un émetteur unique produisant plus d'un watt de puissance en onde continue. Pour augmenter la puissance, des barres et modules multi-barres ou empilements 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 un empilement est un réseau bidimensionnel de plusieurs barres. Les barres peuvent produire 50 watts de puissance de sortie et durer plus de 5 000 heures. Comme de telles puissances élevées produisent beaucoup de chaleur, des systèmes de refroidissement doivent être intégrés dans le design.

Histoire

Le concept derrière les lasers fut d'abord proposé par Albert Einstein, qui montra que la lumière consiste en énergies d'ondes appelées photons. Chaque photon a une énergie correspondant à la fréquence des ondes. Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie portée par les ondes est grande. Einstein et un autre scientifique nommé S. N. Bose développèrent alors la théorie derrière la tendance des photons à voyager ensemble.

L'action laser fut d'abord démontrée dans la région micro-ondes en 1954 par le prix Nobel Charles Townes et ses collègues. Ils projetèrent un faisceau de molécules d'ammoniac à travers un système d'électrodes de focalisation. Quand une puissance micro-ondes de fréquence appropriée traversa la cavité, une amplification se produisit et le terme Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (MASER) naquit. Le terme laser fut inventé pour la première fois en 1957 par le physicien Gordon Gould.

Townes travailla aussi avec Arthur Schawlow et les deux proposèrent le laser en 1958, recevant un brevet en 1960. Le premier laser pratique fut inventé cette même année par un physicien nommé Theodore Maiman, alors employé aux Hughes Research Laboratories. Ce laser utilisait un cristal de rubis rose entouré d'un tube flash enfermé dans une cavité cylindrique en aluminium poli refroidie par air forcé. Deux ans plus tard, un rubis à émission continue fut réalisé en remplaçant la lampe flash par une lampe à arc.

En 1962, l'action laser dans un matériau semi-conducteur fut démontrée par Robert Hall et des chercheurs de General Electric, d'autres chercheurs américains suivant rapidement. Il fallut environ une autre décennie pour développer la première diode laser à semi-conducteur pouvant fonctionner à température ambiante, démontrée pour la première fois par des chercheurs russes. Bell Labs suivit le succès des chercheurs russes, tout en améliorant les durées de vie des lasers. En 1975, Diode Laser Labs du New Jersey introduisit le premier laser à semi-conducteur commercial à température ambiante.

Malgré ce progrès, ces lasers restaient inadéquats pour les applications de télécommunications. Ils trouvèrent invece une large utilisation (après d'autres améliorations de performance et durée de vie) dans les disques audio compacts après que Philips (Pays-Bas) et Sony (Japon) développèrent un CD en 1980 utilisant une diode laser. À la fin de la décennie, des dizaines de millions de lecteurs CD étaient vendus chaque année. Plus récemment, les disques vidéo numériques sont devenus disponibles pour le stockage optique, également basés sur des diodes laser.

À mesure que la puissance augmentait, les lasers à semi-conducteurs s'étendirent à d'autres applications. Depuis 1995, la performance des diodes laser de haute puissance a bondi d'un facteur 25. Avec cette fiabilité accrue, de grands groupes de diodes laser peuvent maintenant être combinés pour créer des « empilements » 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 étaient projetés à 69 % en 2000. En termes d'unités vendues, les lasers à semi-conducteurs représentent environ 99 % du total (plus de 400 millions d'unités), ce qui signifie que la plupart de la lumière laser est maintenant produite directement ou indirectement (via 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 lasers à état solide et lasers à fibre, dans des applications graphiques comme l'épreuvage couleur et l'impression numérique direct-to-plate, et pour diverses applications médicales et militaires (illumination et télémétrie de cibles). En 2000, Laser Focus World estimait qu'environ 34 % des lasers de thérapie médicale étaient de type semi-conducteur.

Matières premières

Le laser à semi-conducteur conventionnel consiste en un semi-conducteur composé, l'arséniure de gallium. Ce matériau se présente sous forme de lingots ensuite traités en substrats sur lesquels des couches d'autres matériaux sont ajoutées. Les matériaux formant ces couches sont pesés précisément selon une formule spécifique. D'autres matériaux Un laser à double hétérostructure. utilisés pour ce type de laser incluent certains métaux (zinc, or, 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 ». Elle comprend plusieurs couches aux fonctions différentes. Une couche active ou d'amplification lumineuse est sandwichée entre deux couches de confinement. Ces couches de confinement assurent l'injection d'électrons dans la couche active. Comme la couche active a un indice de réfraction plus grand que ceux des couches de confinement, la lumière est confinée dans la couche active.

La performance du laser peut être améliorée en modifiant le design de la jonction pour réduire les pertes par diffraction dans la cavité optique. Ceci est 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 à la cavité optique.

La largeur de la jonction peut aussi affecter la performance. 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 crête doit être limitée à pas plus de 400 watts par cm de longueur de jonction et la densité de courant à moins de 6 500 ampères par centimètre carré à la jonction pour prolonger la vie du laser.

Processus de fabrication

Fabrication du substrat

• 1. Les substrats sont faits par une technique de tirage de cristal appelée méthode de Czochralski, où un cristal croît à partir d'une fonte. Les éléments sont d'abord mélangés puis chauffés pour former une solution. La solution est ensuite refroidie, solidifiant le matériau. Un cristal germe est attaché au bas d'un bras vertical de sorte qu'il effleure à peine le matériau à la surface de la fonte. Le bras est lentement relevé, et un cristal croît en dessous à l'interface entre le cristal et la fonte. Habituellement, le cristal est lentement rotatif pour éviter les impuretés. En mesurant le poids du cristal pendant le tirage, des contrôles informatiques peuvent varier le taux de tirage pour produire n'importe quel diamètre souhaité.

Croissance des couches

• 2. La méthode la plus courante pour faire croître les couches sur le substrat s'appelle l'épitaxie par phase liquide (LPE). Des couches ayant la même direction de croissance cristalline ou une direction fixée que celle du substrat peuvent être cultivées sur le substrat quand celui-ci entre en contact avec une solution de la composition désirée. À mesure que 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 comprend un réacteur (où les couches croissent), un système de chargement de substrat, un système de pompe et d'échappement (pour retirer l'air ou gaz impurs après mise en place ou retrait des matériaux), un système de flux de gaz (pour faire circuler l'hydrogène dans le réacteur pour éliminer les gaz impurs) et un système de contrôle de température. Des matériaux purs sont utilisés pour le réacteur afin que les couches ne soient pas contaminées. La boîte de chargement est généralement remplie d'azote pour purger l'air à l'ouverture du réacteur. Le réacteur consiste typiquement en un tube de quartz, dans lequel un bateau en graphite et son support sont placés. Le bateau en graphite comprend un cadre externe, un support de substrat, un espaceur et une boîte de fusion.

• 3. Les matériaux sources pour les couches sont d'abord rincés et attaqués pour nettoyer la surface. Après séchage des matériaux attaqués, ils sont chargés dans chaque boîte de fusion du bateau en graphite. Pour faire croître chaque couche, les matériaux sont d'abord fondus par chauffage 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 un taux de refroidissement fixe, généralement 0,5 °C par minute, selon un programme spécifique conçu pour chaque composition. La température est automatiquement contrôlée par des capteurs thermocouples.

Fabrication du dispositif laser

• 4. Après la croissance de la structure en couches, plusieurs autres processus sont complétés pour former le dispositif laser. D'abord, le substrat est poli mécaniquement jusqu'à ce que l'épaisseur diminue à 70-100 microns en préparation pour le clivage. Ensuite, un très fin film de dioxyde de silicium est formé sur la surface du substrat. Des bandes sont formées par photolithographie et attaque chimique. Des électrodes de contact sont appliquées par évaporation. Ensuite, un résonateur laser est formé par clivage de la tranche le long de plans cristallins parallèles. Les dispositifs laser terminés sont ensuite fixés sur un dissipateur de chaleur en cuivre d'un côté et un petit contact électrique de l'autre.

Contrôle qualité

Le substrat sur lequel la structure semi-conductrice est cultivée doit répondre à certaines exigences concernant la direction cristalline, la densité de trous d'attaque (EPD), la concentration d'impuretés, l'épaisseur du substrat et la taille de la tranche. La direction cristalline doit être dans quelques degrés. Les trous d'attaque, qui sont des collines ou trous rectangulaires, sont révélés par attaque sélective du substrat avec une solution acide. La densité de trous d'attaque (nombre par cm²) est utilisée pour estimer la densité de dislocations, qui affecte la durée de vie du laser. Une EPD de 10³ par cm² ou moins est requise. Les concentrations d'impuretés sont autour de 10¹⁸ par cm³. Les substrats peuvent aller jusqu'à 7,6 cm de diamètre et sont typiquement tranchés en pièces de 350 microns d'épaisseur.

Après le processus de croissance, la surface de la tranche semi-conductrice est examinée au microscope optique. Pour examiner la structure en couches, une section transversale de tranche meulée ou clivée est teintée et attaquée pour augmenter le contraste des couches au microscope électronique à balayage. La diffraction des rayons X détermine les compositions des couches et mesure les motifs de réseau de la structure. La concentration d'impuretés et l'indice de réfraction des couches sont aussi mesurés par plusieurs méthodes analytiques. Après la fabrication du dispositif laser, des paramètres de fonctionnement comme les courbes tension/courant, la densité de courant de seuil et les caractéristiques spectrales sont mesurés.

L'avenir

Les analystes 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 partiellement due à l'expansion des applications dans le traitement des matériaux alors que les diodes laser de haute puissance deviennent moins chères que les lasers à état solide. La taille compacte et l'efficacité électrique rendent aussi les lasers à semi-conducteurs de haute puissance attractifs pour des applications industrielles comme le traitement thermique et le soudage. De nouvelles compositions de matériaux et méthodes de traitement sont aussi développées pour étendre les applications.