Halbleiterlaser: Präzise Lichtgenerierung für moderne Technologie

Hintergrund

Ein Laser – Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – ist ein Gerät, das Energie in Licht umwandelt. Elektrische oder optische Energie regt Atome oder Moleküle an, die dann Licht emittieren. Ein Laser besteht aus einem Resonator mit ebenen oder sphärischen Spiegeln an den Enden, gefüllt mit lasfähigem Material. Dieses Material kann in einen metastabilen Zustand versetzt werden durch Licht oder elektrische Entladung. Es kann Kristall, Glas, Flüssigkeit, Farbstoff oder Gas sein, solange es so anregbar ist.

Der einfachste Resonator hat zwei Spiegel, einer totalreflektierend, einer 50–99 % reflektierend. Während das Licht zwischen den Spiegeln hin- und herpendelt, nimmt die Intensität zu. Da Laserlicht als intensiver Strahl propagiert, erzeugt der Laser sehr helles Licht. Laserstrahlen können auch über große Distanzen projiziert und auf einen sehr kleinen Spot fokussiert werden.

Der Spiegeltyp bestimmt den Strahltyp. Ein sehr heller, hochmonochromatischer (eine Wellenlänge/Farbe) und kohärenter Strahl entsteht, wenn ein Spiegel nur 1–2 % des Lichts transmittiert. Werden ebene Spiegel genutzt, ist der Strahl hochkollimiert (parallel). Bei konkaven Spiegeln tritt der Strahl nahe einem Resonatorende aus. Der Strahltyp im ersten Fall macht Laser in der Medizin sehr nützlich, da diese Eigenschaften präzises Targeting erlauben, umliegendes Gewebe schonen.

Ein Halbleiterlaser wandelt elektrische Energie in Licht um. Dies gelingt durch Halbleitermaterial, dessen Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren liegt. Durch Dotieren mit spezifischen Verunreinigungsmengen kann die Zahl negativ geladener Elektronen oder positiv geladener Löcher verändert werden.

Im Vergleich zu anderen Lasertypen sind Halbleiterlaser kompakt, zuverlässig und langlebig. Sie bestehen aus zwei Basis-Komponenten: optischem Verstärker und Resonator. Der Verstärker besteht aus einem Direktbandlücken-Halbleiter auf Galliumarsenid (GaAs) oder InP-Substraten – Verbindungen der Gruppen III und V des Periodensystems. Legierungen dieser Materialien werden als geschichtete Strukturen mit präzisen Mengen weiterer Materialien auf die Substrate aufgebracht.

Der Resonator zirkuliert Licht kontinuierlich durch den Verstärker und hilft bei der Fokussierung. Er besteht meist aus einem Wellenleiter und zwei ebenparallelen Spiegeln. Diese Spiegel sind beschichtet, um Reflektivität zu erhöhen oder zu verringern und Widerstand gegen Schäden durch hohe Leistungsdichten zu verbessern.

Leistung und Kosten eines Halbleiterlasers hängen von Ausgangsleistung, Helligkeit und Betriebslebensdauer ab. Leistung bestimmt maximalen Durchsatz oder Vorschubgeschwindigkeit eines Prozesses. Hohe Helligkeit – Fähigkeit, Laserausgang auf kleinen Spot zu fokussieren – bestimmt Energieeffizienz. Lebensdauer ist wichtig, da je länger ein Laser hält, desto geringer die Betriebskosten – besonders kritisch in industriellen Anwendungen.

Die einfachsten Halbleiterlaser bestehen aus einem Einzel-Emitter, der über 1 Watt CW-Leistung erzeugt. Zur Leistungssteigerung wurden Balken (Bars) und Multibalken-Module oder Stacks entwickelt. Ein Balken ist ein Array von 10–50 nebeneinanderliegenden Einzellasern auf einem Chip; ein Stack ist ein zweidimensionales Array mehrerer Balken. Balken können 50 Watt Ausgangsleistung erzeugen und über 5.000 Stunden halten. Da solche Hochleistungen viel Wärme erzeugen, müssen Kühlsysteme ins Design integriert werden.

Geschichte

Das Laser-Konzept wurde erstmals von Albert Einstein vorgeschlagen, der zeigte, dass Licht aus Wellenenergien besteht, Photonen genannt. Jedes Photon hat eine Energie, die der Wellenfrequenz entspricht. Höhere Frequenz bedeutet größere Energie. Einstein und S. N. Bose entwickelten die Theorie hinter der Tendenz von Photonen, gemeinsam zu reisen.

Laserwirkung wurde erstmals 1954 im Mikrowellenbereich von Nobelpreisträger Charles Townes und Mitarbeitern demonstriert. Sie schossen einen Ammoniakmolekülstrahl durch ein System fokussierender Elektroden. Bei Durchgang von Mikrowellenleistung passender Frequenz durch den Resonator trat Verstärkung ein, und der Begriff MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) war geboren. Der Begriff „Laser“ wurde 1957 von Physiker Gordon Gould geprägt.

Townes arbeitete auch mit Arthur Schawlow zusammen; beide schlugen den Laser 1958 vor, erhielten 1960 ein Patent. Der erste praktische Laser wurde 1960 von Physiker Theodore Maiman erfunden, während er bei Hughes Research Laboratories arbeitete. Dieser Laser nutzte einen rosa Rubinkristall, umgeben von einer Blitzlampe in einem polierten Aluminiumzylinder, gekühlt durch Zwangsluft. Zwei Jahre später entstand ein kontinuierlich lasender Rubin durch Ersetzen der Blitzlampe durch eine Bogenlampe.

1962 wurde Laserwirkung in Halbleitermaterial von Robert Hall und Forschern bei General Electric demonstriert, weitere US-Forscher folgten bald. Etwa ein weiteres Jahrzehnt verging, bis der erste Halbleiter-Diodenlaser für Raumtemperaturbetrieb entwickelt wurde, erstmals von russischen Forschern demonstriert. Bell Labs folgte dem russischen Erfolg und verbesserte zugleich Laserlebensdauern. 1975 brachte Diode Laser Labs of New Jersey den ersten kommerziellen Raumtemperatur-Halbleiterlaser auf den Markt.

Trotz dieses Fortschritts waren diese Laser für Telekommunikation noch unzureichend. Stattdessen fanden sie breite Nutzung (nach weiteren Leistungs- und Lebensdauerverbesserungen) in Audio-CDs, nachdem Philips (Niederlande) und Sony (Japan) 1980 eine CD mit Diodenlaser entwickelten. Ende des Jahrzehnts wurden jährlich zig Millionen CD-Player verkauft. Kürzlich wurden Digital Video Discs für optische Speicherung verfügbar, ebenfalls basierend auf Diodenlasern.

Mit steigender Leistung expandierten Halbleiterlaser in weitere Anwendungen. Seit 1995 stieg die Leistung von High-Power-Diodenlasern um Faktor 25. Mit dieser höheren Zuverlässigkeit können große Gruppen von Diodenlasern nun zu „Stacks“ von bis zu 25 Einzeldiodenlasern kombiniert werden.

1999 machten Laserdioden-Umsätze 64 % aller verkauften Laser aus, gegenüber 57 % 1996, und sollten 2000 69 % erreichen. In Stückzahlen entfallen auf Halbleiterlaser etwa 99 % des Gesamtmarkts (über 400 Millionen Einheiten) – die meisten Laserlichtquellen sind nun direkt oder indirekt (via Diode-Pumping) Halbleiterlaser. Neben Industrieanwendungen dienen sie als Pumpquellen für Festkörper- und Faserlaser, in Grafikanwendungen wie Color Proofing und Digital Direct-to-Plate-Druck, sowie in medizinischen und militärischen Anwendungen (Zielbeleuchtung und Entfernungsmessung). 2000 schätzte Laser Focus World, dass etwa 34 % der medizinischen Therapielaser Halbleitertyp waren.

Rohmaterialien

Der konventionelle Halbleiterlaser besteht aus einem Verbindungshalbleiter, Galliumarsenid. Dieses Material liegt als Barren vor, die weiter zu Substraten verarbeitet werden, auf die Schichten anderer Materialien aufgebracht werden. Die Materialien für diese Schichten werden präzise nach spezifischer Formel abgewogen. Weitere Materialien Ein Double-Heterostructure-Laser. für diesen Lasertyp: bestimmte Metalle (Zink, Gold, Kupfer) als Additive (Dotierstoffe) oder Elektroden, und Siliciumdioxid als Isolator.

Design

Das Grunddesign eines Halbleiterlasers besteht aus einer „Double Heterostructure“. Dies umfasst mehrere Schichten mit unterschiedlichen Funktionen. Eine aktive oder lichtverstärkende Schicht liegt zwischen zwei Klammschichten (Cladding Layers). Diese injizieren Elektronen in die aktive Schicht. Da die aktive Schicht einen höheren Brechungsindex hat als die Klammschichten, wird Licht in der aktiven Schicht eingesperrt.

Die Laserleistung kann durch Änderung des Junction-Designs verbessert werden, um Beugungsverluste im optischen Resonator zu reduzieren. Dies gelingt durch Modifikation des Lasermaterials zur Kontrolle des Brechungsindex des Resonators und der Junction-Breite. Der Brechungsindex hängt von Art und Menge der Verunreinigung ab. Ersetzt man z. B. Teil des Galliums in der positiv geladenen Schicht durch Aluminium, sinkt der Brechungsindex und das Laserlicht wird besser im optischen Resonator eingesperrt.

Die Junction-Breite beeinflusst ebenfalls die Leistung. Eine schmale Dimension begrenzt den Strom auf eine einzelne Linie entlang der Laserlänge, erhöht die Stromdichte. Spitzenleistung muss auf maximal 400 Watt pro cm Junction-Länge und Stromdichte unter 6.500 A/cm² an der Junction begrenzt werden, um Laserlebensdauer zu verlängern.

Der Herstellungsprozess

Substratherstellung

• 1. Substrate werden im Czochralski-Verfahren (Kristallziehverfahren) hergestellt, bei dem ein Kristall aus der Schmelze wächst. Elemente werden zuerst gemischt und dann erhitzt zur Lösung. Die Lösung wird abgekühlt, was das Material erstarrt. Ein Saatkristall wird an den Boden eines vertikalen Arms befestigt, sodass er die Schmelzoberfläche kaum berührt. Der Arm wird langsam gehoben, und ein Kristall wächst darunter an der Grenzfläche zwischen Kristall und Schmelze. Meist wird der Kristall langsam rotiert, um Verunreinigungen zu vermeiden. Durch Messen des Kristallgewichts beim Ziehen können Computersteuerungen die Ziehrate variieren, um jeden gewünschten Durchmesser zu erzeugen.

Schichtaufwachs

• 2. Die gängigste Methode für das Aufwachsen der Schichten auf dem Substrat heißt Flüssigphasen-Epitaxie (LPE). Schichten mit gleicher oder fester Kristallwachstumsrichtung wie das Substrat können auf diesem gewachsen werden, wenn das Substrat mit einer Lösung der gewünschten Zusammensetzung in Kontakt kommt. Bei sinkender Temperatur fällt die Halbleiterverbindung (z. B. GaAs) kristallin aus der Lösung und scheidet sich auf dem Substrat ab.

  Ein LPE-System besteht aus Reaktor (wo Schichten wachsen), Substrat-Ladesystem, Pumpen- und Abgassystem (zum Entfernen von Luft oder unreinen Gasen nach Materialein- und -ausbringung), Gasflusssystem (Wasserstoffgas durch Reaktor zur Entfernung unreiner Gase) und Temperaturkontrollsystem. Reine Materialien für den Reaktor verhindern Kontamination der Schichten. Die Ladebox ist meist mit Stickstoffgas gefüllt, um Luft beim Öffnen des Reaktors zu verdrängen. Der Reaktor besteht typischerweise aus einem Quarzrohr, in dem ein Graphitboot und Bootshalter platziert sind. Das Graphitboot besteht aus Außenrahmen, Substrathalter, Spacer und Schmelzbox.

• 3. Quellmaterialien für die Schichten werden zuerst gespült und geätzt zur Oberflächenreinigung. Nach Trocknen werden sie in jede Schmelzbox des Graphitboots geladen. Zum Wachsen jeder Schicht werden Materialien zuerst durch Erhitzen auf spezifische Temperatur geschmolzen, dann wird der Substrathalter mit Substrat von der ersten zur nächsten Schmelze gezogen. Der Substrat wird an jeder Schmelze für eine bestimmte Zeit unter fester Abkühlrate, meist 0,5 °C pro Minute, gehalten, gemäß speziellem Programm für jede Zusammensetzung. Temperatur wird automatisch über Thermoelemente gesteuert.

Laserbauelemente-Fertigung

• 4. Nach Aufwachsen der Schichtstruktur werden weitere Prozesse abgeschlossen, um das Laserbauelement zu formen. Zuerst wird das Substrat mechanisch poliert, bis die Dicke auf 70–100 Mikrometer sinkt, zur Vorbereitung aufs Spalten. Dann wird ein sehr dünner Silicium-dioxid-Film auf der Substratoberfläche gebildet. Streifen werden durch Photolithografie und chemisches Ätzen geformt. Kontaktelektroden werden per Verdampfungsverfahren aufgebracht. Dann wird ein Laserresonator durch Spalten des Wafers entlang paralleler Kristallebenen gebildet. Die fertigen Laserbauelemente werden auf einer Seite an einen Kupfer-Kühlkörper und auf der anderen an einen kleinen elektrischen Kontakt angebunden.

Qualitätskontrolle

Das Substrat, auf dem die Halbleiterstruktur aufgewachsen ist, muss Anforderungen an Kristallrichtung, Ätzgruben-Dichte (EPD), Verunreinigungskonzentration, Substratdicke und Wafergröße erfüllen. Kristallrichtung muss innerhalb weniger Grade liegen. Ätzgruben – rechteckige Hügel oder Löcher – werden durch selektives Ätzen des Substrats mit Säurelösung sichtbar. Die Ätzgruben-Dichte (Anzahl pro cm²) schätzt Versetzungsdichte, die Laserlebensdauer beeinflusst. EPD von 10³ pro cm² oder weniger wird gefordert. Verunreinigungskonzentrationen ca. 10¹⁸ pro cm³. Substrate bis 7,6 cm Durchmesser, typischerweise in 350-Mikrometer-dicke Scheiben geschnitten.

Nach dem Wachstumsprozess wird die Halbleiterwafer-Oberfläche per Optischem Mikroskop untersucht. Zur Untersuchung der Schichtstruktur wird ein geschliffener oder gespaltener Wafer-Querschnitt gefärbt und geätzt, um Kontrast der Schichten im Rasterelektronenmikroskop zu erhöhen. Röntgenbeugung bestimmt Schichtzusammensetzungen und misst Gitterstrukturen. Verunreinigungskonzentration und Brechungsindex der Schichten werden mit mehreren Analysemethoden gemessen. Nach Bauelemente-Fertigung werden Betriebsparameter wie Spannungs/Strom-Kurven, Schwellenstromdichte und Spektraleigenschaften gemessen.

Die Zukunft

Branchenanalysten von Frost & Sullivan prognostizieren, dass der Diodenlaser-Systemmarkt bis 2005 fast 4,6 Mrd. $ erreichen wird. Dieses Wachstum resultiert teils aus expandierenden Anwendungen in Materialbearbeitung, da High-Power-Diodenlaser günstiger werden als Festkörperlaser. Kompakte Größe und elektrische Effizienz machen High-Power-Halbleiterlaser attraktiv für industrielle Anwendungen wie Wärmebehandlung und Schweißen. Neue Materialzusammensetzungen und Verarbeitungsmethoden werden entwickelt, um Anwendungen zu erweitern.