Полупроводниковые лазеры

Введение

В основе работы абсолютного большинства полупроводниковых приборов лежат физические явления в электронно-дырочного перехода, электронно-дырочный переход (р-n - переход) - это переходный слой, образующийся между двумя областями полупроводника с электропроводностью различного типа и имеет повышенный удельное сопротивление. Для получения электронно-дырочных переходов в полупроводнике образуются области с электронной и дырочной проводимостью за счет введения донорных и акцепторных примесей.
Если концентрация донорной ND и акцепторной NА примесей при переходе из одной области в другую изменяется скачком, p-n - переход называется резким или ступенчатым, а в случае плавного изменения примесей - плавным.
Как правило, в полупроводниковых приборах используются несимметричные переходы, которые характеризуются разной концентрацией примесей ND и NА. Отношение концентрации может достигать нескольких порядков.


1. Особенности производства

Полупроводниковые приборы занимают ведущее место в электротехнической промышленности и активно влияют на другие отрасли промышленности: энергомашиностроения, железнодорожный транспорт, линии электропередач и др.
Технология полупроводниковых приборов представляет собой сложный комплекс процессов, каждый из которых является самостоятельным и весьма важным научным направлением. Это механические, химические, электрохимические, термохимические, термофизические, металлургические, кристаллизационные процессы.
Наиболее характерными чертами современной полупроводниковой электроники является рост сложности приборов и уменьшение геометрических размеров элементов структур. На одной полупроводниковой пластине диаметром 50-75 мм формируется около тысячи приборов.
Брак, предположено на любой из которых операций, является неисправимым. Технологические дефекты накапливаются и вызывают недостаток прибора. В связи с этим полупроводниковое производство характеризуется очень жесткими требованиями к параметрам технологических процессов на всех операциях. Совокупность технологических параметров составляет технологический режим, которых тщательно отрабатывается и затем поддерживается на каждой операции.
Эффективность электронной аппаратуры обусловлена высокой быстродействием, точностью и чувствительностью элементов, входящих в нее.
Задача электроники как отрасли техники - разработка, производство и эксплуатация электронных приборов и устройств различного назначения.
Современные технические средства электроники широко используются во всех отраслях народного хозяйства нашей страны.
Способы изготовления полупроводниковых приборов существенно различаются. Однако во всех случаях кристалл подвергается ряду общих основных технологических операций, последовательность которых составляет технологический маршрут. Типичный маршрут, в зависимости от вида конкретного изделия может содержать следующие операции:
1) Входной контроль. Входному контролю подвергают слитки полупроводникового материала. Наиболее распространенными видами контроля является измерение типа электропроводности, удельного сопротивления, времени жизни и подвижности носителей заряда, плотности дислокаций и других структурных дефектов. На материалах, используемых для изготовления светоизлучающих приборов, контролирующих квантовую эффективность и длину волны фотолюминесценции.
2) Резка слитков на пластины происходит алмазным диском с внутренней режущей кромкой, который заключается в следующем. На шпиндель станка крепят алмазный диск. В середину полого шпинделя размещают держа с приклеенным полупроводниковым слитком. Перед началом весь слиток находится в середине шпинделя, и только его торцевая часть немного выступает за кромку алмазного диска. Затем включают станок и начинают перемещать, держа в горизонтальном (или вертикальном) направлении, в некоторый момент слиток касается алмазного диска и начинается процесс резки. При полном отрезании пластины от слитка держатель отводится в исходное положение и выдвигается со шпинделя на длину, равную толщине отрезаемой пластины. После чего процесс резки повторяется.
- Шлифовка и полировка пластин. Шлифовка происходит на твердых доводочных дисках - шлифовщиках абразивными микропорошками. Зернистость микро порошков для шлифовки пластин берут такую: при предыдущем шлифовке - от М14 до М10, а при конечном - от М7 до М5. это даст возможность получить 9-12-й класс чистоты обработки. Далее пластины подвергают односторонней полировке с использованием свободного абразива. В результате получаем поверхность пластин с чистотой обработки, соответствующей 13-14 класса.
- Обезжиривание. Обезжиривания производится с помощью фреона-113 (CClF3), вещества с температурой кипения 47,6 °С и плотностью 1,57 г / м3. Он не горит, не токсичен, обеспечивает высокую эффективность очистки и позволяет отказаться от следующих операций промывки в деионизированной воде.
- Сушка. После промывки пластины сушат в термостате или под инфракрасной лампой при температуре 120 - 150 ° С.
- Нанесение фоторезиста происходит с помощью центрифуги. При этом пластину размещают в центре платформы центрифуги, прижимают с помощью вакуумного насоса и приводят вместе с платформой к вращению. При вращении в центр пластины наносят дозированное количество раствора фоторезиста. Центробежные силы выравнивают слой фоторезиста по поверхности.
- Сушка проводится для полного удаления органического растворителя при этом температура и время сушки должны исключать возможность термического дублирования фоторезиста.
- Формирование Фото-Маски. Скрытое изображение Фото-Маски в слои фоторезиста достигается экспонированием фоторезиста через групповой фотошаблон. Экспонирования фоторезиста проводится на специальной установке для смещения и экспонирования ЕМ-512.
- Проявление фоторезиста. Оно заключается в растворении не задублированных участков в растворах, на основе которых изготовлен фоторезист. После чего проводят промывку пластин.
- Травление защитного слоя. Травники, растворяя данный слой, не должны действовать на ниже лежащий материал основы. Скорость (время) пищеварение должна быть согласована с толщиной фото маски, чтобы обеспечить ей необходимую устойчивость
- Дифузия. Проводиться в однозонной печи, при температуре 1000 К. В качестве элемента, который выступает диффузанта, является арсенид (As). При достаточном нагреве он начинает испаряться из источника диффузанта (As2O3) и переносится в зону диффузий, где оседает на кремниевые пластины. Диффузия осуществляется в течение 2:00.
- Снятие фоторезиста проводится групповым методом путем погружения пластин в подогретый раствор или размещения их в специальную камеру, где фоторезист удаляется с помощью кислородной плазмы. При этом необходимо полностью очистить поверхность пластины от резиста, поскольку неполное его удаление может привести к возникновению дефектов при металлизации.
- Металлизация алюминием. Процесс металлизации алюминием выполняется с помощью вакуумного термического испарения алюминия с испарителей резистивного типа. Процесс испарения осуществляется на много позиционных вакуумных установках УВН при непрерывном вращении многопозиционной карусели с пластинами при окончательном давлении порядка 10-6 мм и температуре пластин 200 °С.
- Формирование Фото-Маски. Скрытое изображение Фото-Маски в слои фоторезиста достигается экспонированием фоторезиста через групповой фотошаблон. Экспонирования фоторезиста проводится на специальной установке для смещения и экспонирования ЕМ-512. При этой операции важно совмещение рисунка фотошаблона относительно рисунке предыдущей фотолитографии.
- Проявление фоторезиста. Оно заключается в растворении не задублированных участков в растворах, на основе которых изготовлен фоторезист. После чего проводят промывку пластин.
- Стравливания алюминия можно провести как жидкостным методом, так и сухим (с помощью плазмы).
- Снятие фоторезиста проводится групповым методом путем погружения пластин подогретый раствор или размещения их в специальную камеру, где фоторезист удаляется с помощью кислородной плазмы
- Скрабирование и разламывания пластин на кристаллы. Эта операция проводится с помощью алмазного резца, которым наносятся риски или разделяющие канавки между готовыми структурами. После этого пластины разламываются на кристаллы с помощью механических напряжений, создаваемых валиком.
19) разварки выводов и корпусирования. Кристалл напаивают на кристалоудерживатель, осуществляют разводку - подсоединение электрических выводов к контактам базы, эмиттера и герметизируют, помещая в металлостеклянный корпус серии КД-5.
- Контроль качества. Для оценки параметров и надежности приборов их направляют в отдел технического контроля, где проводят электрические, климатические и механические испытания

. Они важны для правильной информации о качестве и надежности приборов. Кроме этого каждая технологическая операция сопровождается контролем качества обработки, например измерением глубины диффузии, толщину эпитаксиального слоя или удельного или поверхностного сопротивления. После того, как в структуре созданы р-n-переходы, производят контроль электрических параметров - напряжения пробоя, тока утечки, вместимости. В технологическом маршруте предусмотрены специальные контрольные карты.
Возможно, что полупроводниковые лазеры так и остались бы забавной игрушкой, если бы НЕ несколько замечательных открытий, Коренным образом изменивших ситуацию.
Начали с проблем геометрической оптики. Изучение характеристик излучения по телу свечения в планарных приборах показало, что распределения интенсивности по зоне излучения нестабильно во времени, и непрерывно меняет точку локализации зоны максимальной мощности. Для фиксации зоны локализации максимальной мощности излучения были предложены лазеры с V-образной канавкой, что обеспечил эффективное применение полупроводниковых лазеров в оптических приборах, так как стало возможным с хорошей точностью считать его точечным источником излучения.
Но, вскоре оказалось, что существенным недостатком V-канальных лазеров было значительное нарушение кристаллической структуры подложки в зоне канавки. Это приводило к неравномерно разогрева зоны формирования излучения и как следствие к катастрофическое деградации излучателя. здесь следует заметить, что сначала возникла проблема катастрофическое деградации лазеров, а в результате борьбы с ней была обнаружена причина.
Отказаться от применения канальных лазеров было совсем не просто, т.к. они уже стали широко применяться в спецтехнике. Соответственно были затрачены значимые усилия на их совершенствование, прежде чем было принято решение вернуться к планарным структурам. Вновь перед разработчиками возникла проблема локализации излучения. И в этот момент возникла революционная идея - сформировать внутри p-n перехода специальный оптический резонатор по аналогии с СВЧ резонаторами. Для того, чтоб сделать это надо было вырастить дополнительный оптический слой между полупроводником и сформировать в нём резонатор шириной в несколько микрон.
Сделать это средствами микроэлектроники и Интегральное техники было невозможно, т.к. там еще только приступали к освоению рубежей 150-120 микрон.
В разных странах по-разному решили данную проблему. В Японии был разработан метод химической протонной имплантации. В Новосибирске был разработан уникальный метод протонной имплантации при помощи протонного ускорителя.
Данный метод позволил наладить промышленный выпуск одномодовых-одночастотных лазеров с высокой степенью когерентности излучения.
Возврат к планарным структурам позволил существенно улучшить некоторые производственные показатели, такие как процент выхода годных лазеров, но, к сожалению, не увеличил долговечность излучателей кардинальным образом. Эффект тепловой деградации продолжал существовать. Огромное количество научных публикаций на эту тему лишь доказывали сложность проблемы. Внутрь резонатора заглянуть было невозможно, а внешние проявления деградации были необычайно разнообразны и непредсказуемы.
Решение проблемы стало возможным лишь после Гениальное догадки о том, что деградация связана с несовпадения кристаллический структур различных слоёв полупроводников лазера друг с другом. А таких слоёв в нём было уже ... намного больше двух. Решили проблему при помощи внедрения внутрь кристаллической решётки атомов второго вещества (Легирование), Которые изменяли её пространственную структуру, и в частности - шаг решётки. В результате удалось выращивать на базовой подложке различные слои с одинаковой кристаллической структурой. Это действительно кардинально изменил долговечность лазеров в большую сторону до величин более чем разумных. Но, несмотря на кажущуюся простоту решения проблемы, необходимо указать на то, что создать идеальный многослойный кристалл.
Начались кропотливые изучения спектральных характеристик излучения полупроводниковых лазеров в зависимости от режимов его работы, температуры и других характеристик. Для этой цели пришлось создавать специальные виды спектрометров и интерферометров в области ИК-спектра.
Исследования проводились с различными лазерами, полученными из различных частей пластин. В результате было показано, что отсутствие когерентности излучения полупроводниковых лазеров связано с огромным количеством мод его резонатора. Соответственно при увеличении межмодового расстояния до величин более 5 ангстрем лазеры стали одночастотнымы с высокой степенью когерентности излучения.
 Следующей серьезной проблемой стала задача уменьшения длины волны полупроводниковых лазеров, т.е. перехода из диапазона 0.87-0.82 мкм в диапазон 0.69-0.66 мкм. Для этого необходимо было создать новые полупроводниковые структуры с существенно большей энергией p-n перехода. Соответственно все проблемы, Указанные выше пришлось решать заново. но в Новосибирске к этому времени уже был накоплен огромный опыт и в 1987 г. были выпущены первые промышленные полупроводниковые лазеры с длиной волны 0.67 мкм.


2. Общие свойства

Активным элементом в полупроводниковых лазерах служит арсенид галлия, кремний с примесями индия, фосфид галлия и др. полупроводниковые материалы. Несмотря на то, что полупроводники являются одной из разновидностей кристаллических материалов, полупроводниковые лазеры обычно выделяют в отдельную группу вследствие их специфических свойств. Это, прежде всего, простота возбуждения (накачки) - большинство полупроводниковых лазеров работают при пропускании через них электрического тока. Рабочей частью таких инжекционных полупроводниковых лазеров достаточно тонкий промежуточный слой между двумя областями с электронной и дырочной проводимостью - так называемый p-n-переход, то есть их конструкция практически ничем не отличается от конструкции известного плоскостного полупроводникового диода. При пропускании через этот p-n-переход тока в прямом направлении в результате рекомбинации свободных электронов и дырок происходит излучение света. Образующиеся ионы, в свою очередь, стимулируют прочеса рекомбинации, индуцируя дополнительные фотоны.
Большим преимуществом полупроводникового лазера по сравнению с другими, является его малые размеры (~ 1мм3). Полупроводниковые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. КПД теоретически может достигать значений, близких к 100%, реально получено 80%, что намного больше, чем в лазерах других типов. Диапазон волн, излучений полупроводниковым лазером, очень высокий - примерно от 0,3 до 30 мкм.
Недостатками полупроводниковых лазеров является их сравнительно небольшая мощность, большая ширина спектральной линии (108-1012 Гц), большой угол расхождения, который составляет единицы и даже десятки угловых градусов.
Возможность использования полупроводников в качестве активного вещества очень привлекательной, ведь эти материалы имеют большую чувствительность к внешним воздействиям. Также их свойствами можно управлять в очень широких пределах, изменяя температуру, давление, действуя на них светом или потоком заряженных частиц, вводя различные примеси. Основы теории полупроводниковых лазеров впервые были изложены в публикациях Н.Г.Басов, Б.М.Вула, Ю.М.Попова, задолго до появления первого лазера на арсениде галлия. Полупроводниковые лазеры среди всех остальных выделяют благодаря таким особенностям:
1. В полупроводниковых кристаллах имеет место частичное пространственное перекрытие волновых функций атомов, и каждый энергетический уровень в силу принципа Паули занят всего двумя электронами. Вероятность заполнения энергетического уровня описывается функцией распределения Ферми-Дирака, а не функцией Больцмана. Следовательно, при распределении между зонного поглощения или излучения на данной частоте необходимо говорить о переходах между двумя распределении энергетических уровней, а не между двумя отдельными уровнями.
2.Друга различие связано с локализованным распределением электромагнитного излучения вдоль p - n- перехода. Пространственные характеристики этого излучения определяются оптическими свойствами лазерного среды, а не внешним резонатором. Этот факт имеет большое влияние на пороговое значение накачки.
В настоящее время создано большое количество полупроводниковых лазеров различных типов и на различных материалах: ZnS, ZnO, CdTe, GaAs, GaAs1-xSbx, Al1-xGaxAs, AlxGa1-xAsySb1-y.

3. Область применения

В хирургии (например, при операциях на сетчатке глаза) как скальпель, разреза или разрушения больных тканей без повреждения здоровых, нормальных тканей. В Терапии: разрушение опухолей или повреждений, коагуляции (прижигания) кровеносных сосудов для предотвращения кровотечения.
В лазеротерапии - уникальная технология, которая заключается в целенаправленном световом потоке на ткани