반도체 레이저

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배경

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약자인 레이저는 에너지를 빛으로 바꾸는 장치입니다. 전기 또는 광학 에너지는 원자나 분자를 여기시켜 빛을 방출하는 데 사용됩니다. 레이저는 레이저 가능한 재료로 채워진 끝 부분에 평면 또는 구형 거울이 있는 공동으로 구성됩니다. 이 물질은 빛이나 방전에 의해 반안정 상태로 여기될 수 있습니다. 물질은 이러한 방식으로 여기될 수 있는 한 결정, 유리, 액체, 염료 또는 기체일 수 있습니다.

가장 단순한 공동에는 두 개의 거울이 있습니다. 하나는 완전히 반사하고 다른 하나는 50~99%를 반사합니다. 빛이 이러한 거울 사이에서 반사됨에 따라 강도가 증가합니다. 레이저 빛은 강렬한 빔으로 이동하기 때문에 레이저는 매우 밝은 빛을 생성합니다. 레이저 빔은 또한 먼 거리에 투사될 수 있으며 매우 작은 지점에 초점을 맞출 수 있습니다.

거울의 유형은 빔의 유형을 결정합니다. 하나의 거울이 빛의 1-2%만 투과할 때 매우 밝고 매우 단색(하나의 파장 또는 하나의 색상) 및 간섭성 빔이 생성됩니다. 평면 거울을 사용하는 경우 빔이 고도로 시준됩니다(평행하게 됨). 오목 거울을 사용하면 빔이 공동의 한쪽 끝 근처에서 나옵니다. 첫 번째 경우의 빔 유형은 이러한 특성을 통해 의사가 원하는 영역을 보다 정확하게 표적화하여 주변 조직의 손상을 방지할 수 있기 때문에 레이저를 의학에서 매우 유용하게 만듭니다.

반도체 레이저는 전기 에너지를 빛으로 변환합니다. 이것은 전도체와 절연체 사이에 전기를 전도하는 능력이 있는 반도체 재료를 사용하여 가능합니다. 특정 양의 불순물로 반도체를 도핑함으로써 음전하를 띤 전자 또는 양전하를 띤 정공의 수를 변경할 수 있습니다.

다른 레이저 유형에 비해 반도체 레이저는 작고 안정적이며 오래 지속됩니다. 이러한 레이저는 광 증폭기와 공진기의 두 가지 기본 구성 요소로 구성됩니다. 증폭기는 갈륨 비소(GaAs) 또는 InP 기판을 기반으로 하는 직접 밴드갭 반도체 재료로 만들어집니다. 이들은 주기율표의 III족 및 V족 원소를 기반으로 하는 화합물입니다. 이러한 재료의 합금은 정확한 양의 다른 재료를 포함하는 적층 구조로 기판에 형성됩니다.

공진기는 증폭기를 통해 빛을 지속적으로 재순환시켜 초점을 맞추는 데 도움이 됩니다. 이 구성 요소는 일반적으로 도파관과 두 개의 평면 평행 거울로 구성됩니다. 이 미러는 반사율을 높이거나 낮추고 높은 출력 밀도로 인한 손상에 대한 저항을 향상시키기 위해 재료로 코팅됩니다.

반도체의 성능과 비용은 출력 전력, 밝기 및 작동 수명에 따라 달라집니다. 전력은 프로세스의 최대 처리량 또는 공급 속도를 결정하기 때문에 중요합니다. 높은 밝기 또는 레이저 출력을 작은 지점에 집중시키는 능력이 전력 효율성을 결정합니다. 레이저 수명이 길수록 작동 비용이 줄어들기 때문에 수명이 중요합니다. 이는 산업 응용 분야에서 특히 중요합니다.

가장 단순한 반도체 레이저는 1와트 이상의 연속파 전력을 생성하는 단일 에미터로 구성됩니다. 전력을 증가시키기 위해 바 및 멀티바 모듈 또는 스택이 개발되었습니다. 막대는 단일 칩에 통합된 10~50개의 개별 반도체 레이저 어레이이고 스택은 여러 막대의 2차원 어레이입니다. 바는 50와트의 출력을 생산할 수 있으며 5,000시간 이상 지속됩니다. 이러한 고전력은 많은 열을 발생시키므로 냉각 시스템을 설계에 통합해야 합니다.

연혁

레이저의 개념은 빛이 광자라고 불리는 파동 에너지로 구성되어 있음을 보여준 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)에 의해 처음 제안되었습니다. 각 광자는 파동의 주파수에 해당하는 에너지를 가지고 있습니다. 주파수가 높을수록 파동이 전달하는 에너지가 커집니다. 그런 다음 아인슈타인과 S. N. 보스라는 또 다른 과학자는 광자가 함께 여행하는 경향의 현상에 대한 이론을 개발했습니다.

레이저 작용은 1954년 노벨상 수상자인 Charles Townes와 그의 동료들에 의해 마이크로파 영역에서 처음 시연되었습니다. 그들은 집속 전극 시스템을 통해 암모니아 분자 빔을 투사했습니다. 적절한 주파수의 마이크로파 전력이 캐비티를 통과하면 증폭이 일어나서 M.A.S.E.R.(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)이라는 용어가 탄생했습니다. 레이저라는 용어는 1957년 물리학자 Gordon Gould에 의해 처음 만들어졌습니다.

Townes는 또한 Arthur Schawlow와 함께 작업했으며 두 사람은 1958년에 레이저를 제안하여 1960년에 특허를 받았습니다. 최초의 실용적인 레이저는 같은 해에 Hughes Research Laboratories에 근무하던 Theodore Maiman이라는 물리학자가 발명했습니다. 이 레이저는 강제 공기로 냉각된 광택이 나는 알루미늄 원통형 공동 내부에 플래시 튜브로 둘러싸인 분홍색 루비 크리스탈을 사용했습니다. 2년 후, 플래시 램프를 아크 램프로 교체하여 연속 레이저 루비를 만들었습니다.

1962년에 반도체 재료의 레이저 작용은 로버트 홀과 제너럴 일렉트릭의 연구원들에 의해 시연되었으며 다른 미국 연구원들도 곧 뒤따랐습니다. 상온에서 작동할 수 있는 최초의 반도체 다이오드 레이저가 개발되기까지 약 10년이 걸렸으며, 이는 러시아 연구원들이 처음으로 시연했습니다. Bell Labs는 러시아 연구원들의 성공을 따랐으며 동시에 레이저 수명도 개선했습니다. 1975년 New Jersey의 Diode Laser Labs는 최초의 상업용 실온 반도체 레이저를 출시했습니다.

이러한 발전에도 불구하고 이러한 레이저는 여전히 통신 응용 분야에 적합하지 않았습니다. 대신 Philips(네덜란드)와 Sony(일본)가 1980년 다이오드 레이저를 사용하여 CD를 개발한 후 오디오 컴팩트 디스크에서 널리 사용되었습니다(다른 성능 및 수명 개선 후). 2000년대 말까지 매년 수천만 대의 CD 플레이어가 판매되었습니다. 보다 최근에는 다이오드 레이저를 기반으로 하는 광학 저장 장치에 디지털 비디오 디스크를 사용할 수 있게 되었습니다.

전력이 증가함에 따라 반도체 레이저는 다른 응용 분야로 확장되었습니다. 1995년 이래로 고출력 다이오드 레이저의 성능이 25배 증가했습니다. 이 더 높은 신뢰성으로 이제 대규모 다이오드 레이저 그룹을 결합하여 최대 25개의 개별 다이오드 레이저 "스택"을 생성할 수 있습니다.

1999년에 레이저 다이오드 매출은 판매된 모든 레이저의 64%를 차지했는데, 이는 1996년의 57%에서 증가한 수치이며 2000년에는 69%에 이를 것으로 예상되었습니다. 이는 대부분의 레이저 광이 이제 반도체 레이저에 의해 직접 또는 간접적으로(다이오드 펌핑을 통해) 생성된다는 것을 의미합니다. 산업 응용 분야 외에도 반도체 레이저는 고체 레이저 및 파이버 레이저, 색상 교정 및 디지털 직접 판 인쇄와 같은 그래픽 응용 프로그램, 다양한 의료 및 군사 응용 프로그램(표적 조명 및 범위 ). 2000년 Laser Focus World 의료 치료 레이저의 약 34%가 반도체 유형인 것으로 추정됩니다.

원자재

기존의 반도체 레이저는 화합물 반도체인 갈륨 비소로 구성됩니다. 이 재료는 잉곳의 형태로 제공되며, 이 잉곳은 다른 재료의 층이 추가되는 기판으로 추가 처리됩니다. 이러한 층을 형성하는 데 사용되는 재료는 특정 공식에 따라 정확하게 칭량됩니다. 그 밖의 재료로는 이중 이종 구조 레이저. 이러한 유형의 레이저를 만드는 데 사용되는 특정 금속(아연, 금 및 구리)은 첨가제(도펀트) 또는 전극으로, 이산화규소는 절연체로 사용됩니다.

디자인

반도체 레이저의 기본 설계는 "이중 이종 구조"로 구성됩니다. 이것은 다른 기능을 가진 여러 레이어로 구성됩니다. 활성 또는 광 증폭 레이어는 두 클래딩 레이어 사이에 끼어 있습니다. 이 클래딩 층은 활성 층으로 전자 주입을 제공합니다. 활성층은 클래딩층보다 굴절률이 높기 때문에 빛이 활성층에 가두어진다.

레이저의 성능은 광학 공동의 회절 손실이 감소되도록 접합 설계를 변경하여 향상될 수 있습니다. 이것은 공동의 굴절률과 접합부의 폭을 제어하기 위해 레이저 재료를 수정함으로써 가능합니다. 재료의 굴절률은 불순물의 유형과 양에 따라 다릅니다. 예를 들어, 양으로 하전된 층의 갈륨 일부가 알루미늄으로 대체되면 굴절률이 감소하고 레이저 광이 광학 공동에 더 잘 제한됩니다.

접합의 너비도 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 좁은 치수는 전류를 레이저 길이를 따라 단일 라인으로 제한하여 전류 밀도를 증가시킵니다. 레이저의 수명을 연장하려면 최대 전력 출력이 접합부 길이당 400와트(0.4인치)를 넘지 않아야 하고 전류 밀도가 접합부 제곱센티미터당 6,500암페어 미만으로 제한되어야 합니다.

제조 공정

기판 만들기

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1 기판은 Czochralski 방법이라고 하는 결정 풀링 기술을 사용하여 만들어지며, 여기서 결정은 용융물에서 성장합니다. 요소는 먼저 함께 혼합된 다음 가열되어 용액을 형성합니다. 그런 다음 용액이 냉각되어 재료가 응고됩니다. 종자 결정은 수직 암의 바닥에 부착되어 종자가 용융 표면의 재료와 거의 접촉하지 않습니다. 암이 천천히 올라가고 수정과 용융물 사이의 경계면 아래에서 수정이 자랍니다. 일반적으로 결정에 불순물이 생성되지 않도록 결정을 천천히 회전시킵니다. 당기는 과정에서 결정체의 무게를 측정함으로써, 컴퓨터 제어는 원하는 직경을 만들기 위해 당기는 속도를 변화시킬 수 있습니다.

레이어 성장

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2 기판 위에 층을 성장시키는 가장 일반적인 방법은 LPE(액상 에피택시)라고 합니다. 기판과 동일한 또는 고정된 결정 성장 방향을 갖는 층은 기판이 원하는 조성의 용액과 접촉할 때 기판 상에서 성장될 수 있다. 온도가 낮아지면 GaAs와 같은 반도체 화합물이 용액에서 결정 형태로 나와 기판에 증착됩니다.

LPE 시스템은 반응기(층이 성장하는 곳), 기판 로딩 시스템, 펌프 및 배기 시스템(재료를 넣거나 꺼낸 후 공기 또는 불순한 가스를 제거하기 위한), 가스 흐름 시스템(이동하기 위한 불순한 가스를 제거하기 위해 반응기를 통해 수소 가스) 및 온도 제어 시스템. 층이 오염되지 않도록 반응기를 만드는 데 순수한 재료가 사용됩니다. 로딩 박스는 일반적으로 반응기를 여는 동안 공기를 퍼지하기 위해 질소 가스로 채워집니다. 반응기는 일반적으로 흑연 보트와 보트 홀더가 배치된 석영 튜브로 구성됩니다. 흑연 보트는 외부 프레임, 기판 홀더, 스페이서 및 용융 상자로 구성됩니다.

3 표면을 청소하기 위해 레이어의 소스 재료를 먼저 헹구고 에칭합니다. 에칭된 재료를 건조시킨 후 흑연 보트의 각 용융 상자에 로드합니다. 각 층을 성장시키기 위해 먼저 특정 온도로 가열하여 재료를 녹인 다음 기판 홀더를 기판과 함께 첫 번째 용융물에서 다음 용융물로 잡아당깁니다. 기판은 각 구성에 대해 설계된 특정 프로그램에 따라 고정 냉각 속도, 일반적으로 분당 33°F(0.5°C) 하에 특정 시간 동안 각 용융물에서 유지됩니다. 온도는 열전대 센서를 사용하여 자동으로 제어됩니다.

레이저 장치 제작

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4 층 구조가 성장한 후 몇 가지 다른 공정이 완료되어 레이저 장치가 형성됩니다. 먼저, 쪼개짐을 준비하기 위해 두께가 70-100 마이크론으로 감소할 때까지 기판을 기계적으로 연마합니다. 다음은 매우 얇은 실리콘 기판 표면에 이산화막이 형성됩니다. 줄무늬는 포토리소그래피 및 화학적 에칭에 의해 형성됩니다. 접촉 전극은 증발 방법을 사용하여 적용됩니다. 다음으로, 평행한 결정면을 따라 웨이퍼를 절단하여 레이저 공진기를 형성합니다. 그런 다음 완성된 레이저 장치를 한 면에는 구리 방열판에 부착하고 다른 면에는 작은 전기 접점을 부착합니다.

품질 관리

반도체 구조가 성장하는 기판은 결정 방향, 에칭 피트 밀도(EPD), 불순물 농도, 기판 두께 및 웨이퍼 크기와 관련된 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 결정 방향은 몇 도 이내여야 합니다. 직사각형 언덕 또는 구멍인 에칭 피트는 일부 유형의 산성 용액으로 기판을 선택적으로 에칭함으로써 드러납니다. 에칭 피트 밀도(제곱센티미터당 에칭 피트 수)는 레이저 수명에 영향을 미치는 전위 밀도를 추정하는 데 사용됩니다. EPD 10 ³ 제곱센티미터 이하가 필요합니다. 불순물 농도는 약 10 ¹⁸ 입방 센티미터 당. 기판은 직경이 최대 3인치(7.6cm)이며 일반적으로 350미크론 두께의 조각으로 잘립니다.

성장 공정 후, 반도체 웨이퍼의 표면은 광학 현미경으로 검사됩니다. 적층 구조를 조사하기 위해 웨이퍼의 연마된 단면 또는 쪼개진 단면을 염색하고 에칭하여 주사형 전자 현미경을 사용하여 층의 대비를 높입니다. X선 회절은 층의 조성을 결정하고 구조의 격자 패턴을 측정하는 데 사용됩니다. 층의 불순물 농도 및 굴절률도 여러 분석 방법을 사용하여 측정됩니다. 레이저 장치가 제작된 후 전압/전류 곡선, 임계 전류 밀도 및 스펙트럼 특성과 같은 작동 매개변수가 측정됩니다.

미래

Frost &Sullivan의 산업 분석가는 다이오드 레이저 시스템 시장이 2005년까지 거의 46억 달러에 이를 것이라고 예측합니다. 이러한 성장은 부분적으로 고출력 다이오드 레이저가 고체 레이저보다 저렴해짐에 따라 재료 가공의 응용 프로그램이 확대되었기 때문입니다. 컴팩트한 크기와 전기 효율성은 또한 열처리 및 용접과 같은 산업 응용 분야에서 고출력 반도체 레이저를 매력적으로 만듭니다. 응용을 확대하기 위해 새로운 재료 구성 및 가공 방법도 개발되고 있습니다.