Grundlagen des Halbleiterlasers: Arbeitsprinzip, Geschichte und Anwendungen

Seit der Erfindung des weltweit ersten Halbleiterlasers im Jahr 1962 haben Halbleiterlaser enorme Veränderungen erfahren und die Entwicklung anderer Wissenschaften und Technologien stark vorangetrieben; sie gelten als eine der größten menschlichen Erfindungen des 20. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Entwicklung von Halbleiterlasern sogar noch schneller vollzogen, was sie zu einer der [...]

Grundlagen des Halbleiterlasers: Arbeitsprinzip, Geschichte und Anwendungen

Inhaltsverzeichnis

Seit der Erfindung des weltweit ersten Halbleiterlasers im Jahr 1962 haben Halbleiterlaser enorme Veränderungen erfahren und die Entwicklung anderer Wissenschaften und Technologien stark vorangetrieben. Sie gelten als eine der größten menschlichen Erfindungen des 20.

Technologie zur Herstellung von Halbleiterlasern

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Entwicklung von Halbleiterlasern sogar noch beschleunigt, was sie zu einer der am schnellsten wachsenden Lasertechnologien der Welt macht.

Die Anwendung von Halbleiterlasern umfasst den gesamten Bereich der Optoelektronik und ist heute zur Kerntechnologie der Optoelektronik geworden.

Aufgrund der Vorteile der geringen Größe, der einfachen Struktur, der niedrigen Eingangsenergie, der langen Lebensdauer, der einfachen Modulation und des niedrigen Preises von Halbleiterlasern sind diese heute in der Optoelektronik weit verbreitet und werden von Ländern auf der ganzen Welt sehr geschätzt.

Der Halbleiterlaser ist ein miniaturisierter Laser mit einem Pn- oder Pin-Übergang aus einem Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand als Arbeitsmaterial.

Es gibt Dutzende von Halbleiterlaser-Arbeitsstoffen, und zu den Halbleitermaterialien, die zu Lasern verarbeitet wurden, gehören Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumantimonid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid, Bleiselenid, Bleitellurid, Aluminiumgalliumarsen, Indiumphosphorarsen, usw.

Es gibt drei Hauptanregungsmethoden für Halbleiterlaser, nämlich:

  • Elektrische Einspritzung
  • Leichter Pumpentyp
  • Hochenergie-Elektronenstrahl-Anregungstyp

Die meisten Halbleiterlaser werden durch elektrische Injektion angeregt, d. h. es wird eine Vorwärtsspannung an den Pn-Übergang angelegt, um eine angeregte Emission im Bereich der Übergangsebene zu erzeugen, die eine in Durchlassrichtung vorgespannte Diode ist.

Daher wird der Halbleiterlaser auch als Halbleiterlaserdiode bezeichnet.

Da die Elektronen bei Halbleitern nicht zwischen diskreten Energieniveaus, sondern zwischen Energiebändern springen, ist die Sprungenergie kein fester Wert, was dazu führt, dass sich die Ausgangswellenlänge von Halbleiterlasern über einen großen Bereich erstreckt.

Sie emittieren Wellenlängen im Bereich von 0,3 bis 34 μm.

Der Wellenlängenbereich wird durch die Energiebandlücke des verwendeten Materials bestimmt, und der gebräuchlichste ist der AlGaAs-Doppelheteroübergangslaser mit einer Ausgangswellenlänge von 750 bis 890 nm.

Schematische Darstellung der Laserstruktur

Schematische Darstellung der Laserstruktur

Die Herstellungstechnologie von Halbleiterlasern hat verschiedene Verfahren durchlaufen, von der Diffusion über die Flüssigphasenepitaxie (LPE), die Gasphasenepitaxie (VPE), die Molekularstrahlepitaxie (MBE), die MOCVD-Methode (Metal Organic Compound Vapor Deposition) und die chemische Strahlepitaxie (CBE) bis hin zu verschiedenen Kombinationen dieser Verfahren.

Der größte Nachteil von Halbleiterlasern besteht darin, dass die Laserleistung stark von der Temperatur beeinflusst wird und der Divergenzwinkel des Strahls groß ist (im Allgemeinen zwischen einigen Grad und 20 Grad), was zu schlechter Richtwirkung, Monochromatizität und Kohärenz führt.

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technik schreitet die Forschung an Halbleiterlasern jedoch immer weiter voran, und die Leistung von Halbleiterlasern verbessert sich ständig.

Halbleiterlaser werden als Kernstück der optoelektronischen Halbleitertechnologie in der Informationsgesellschaft des 21. Jahrhunderts größere Fortschritte machen und eine größere Rolle spielen.

Funktionsprinzip eines Halbleiterlasers

Der Halbleiterlaser ist eine kohärente Strahlungsquelle. Damit er Laserlicht erzeugen kann, müssen drei grundlegende Bedingungen erfüllt sein:

1. Verstärkungsbedingung

Um die Inversionsverteilung der Ladungsträger im Anregungsmedium (aktiver Bereich) zu bestimmen, wird die Elektronenenergie in einem Halbleiter durch eine Reihe von Energiebändern dargestellt, die aus einer Reihe von nahezu kontinuierlichen Energieniveaus bestehen.

Um eine Teilchenzahlinversion in Halbleitern zu erreichen, muss man sich daher zwischen zwei Energiebandbereichen befinden.

Die Zahl der Elektronen am unteren Ende des Leitungsbandes im höheren Energiezustand ist viel größer als die Zahl der Löcher am oberen Ende des Valenzbandes im niedrigeren Energiezustand. Dies wird erreicht, indem der Homo- oder Heteroübergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird und die notwendigen Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden, um die Elektronen aus dem Valenzband mit niedriger Energie in das Leitungsband mit höherer Energie anzuregen.

Angeregte Emission tritt auf, wenn sich eine große Anzahl von Elektronen im Zustand der Teilchenzahlumkehr mit Löchern verbindet.

2. Um die relevante stimulierte Strahlung tatsächlich zu erhalten

Um eine Mehrfachrückkopplung und die Entstehung einer Laserschwingung zu erreichen, muss im optischen Resonanzraum eine angeregte Strahlung erzeugt werden.

Der Resonanzraum eines Lasers wird gebildet, indem die natürliche Oberflächenlösung eines Halbleiterkristalls als Reflektor verwendet wird, typischerweise mit einer hochreflektierenden mehrschichtigen dielektrischen Schicht auf der nicht emittierenden Seite und einer teilreflektierenden Schicht auf der emittierenden Seite.

Bei Halbleiterlasern mit F-p-Resonator (Fabry-Perot-Resonator) kann der F-p-Resonator leicht durch Verwendung der natürlichen Lösungsebene des Kristalls senkrecht zur Ebene des p-n-Übergangs gebildet werden.

3. Um stabile Schwingungen zu erzeugen, muss das Lasermedium eine ausreichend große Verstärkung bieten

Um den optischen Verlust, der durch den Resonanzraum verursacht wird, und den Verlust, der durch die Laserleistung an der Oberfläche des Resonanzraums entsteht, zu kompensieren, ist es notwendig, das optische Feld im Resonanzraum ständig zu vergrößern.

Dies erfordert eine ausreichend starke Strominjektion, d. h. eine ausreichende Umkehrung der Teilchenzahl. Je höher der Grad der Teilchenzahlumkehr, desto größer ist die erzielte Verstärkung, so dass eine bestimmte Stromschwellenbedingung erfüllt sein muss.

Wenn der Laser den Schwellenwert erreicht, kann Licht mit einer bestimmten Wellenlänge im Hohlraum in Resonanz treten und verstärkt werden, so dass schließlich ein Laser entsteht und kontinuierlich Licht abgegeben wird.

Wie man sieht, ist in Halbleiterlasern der Dipolsprung von Elektronen und Löchern der grundlegende Prozess der Lichtemission und Lichtverstärkung.

Bei neuen Halbleiterlasern ist inzwischen anerkannt, dass Quantentöpfe die treibende Kraft bei der Entwicklung von Halbleiterlasern sind.

Die Frage, ob Quantendrähte und Quantenpunkte die Vorteile von Quanteneffekten voll ausschöpfen können, hat sich bis in dieses Jahrhundert ausgedehnt, und Wissenschaftler haben versucht, Quantenpunkte aus verschiedenen Materialien mit selbstorganisierten Strukturen herzustellen, während GaInN-Quantenpunkte in Halbleiterlasern verwendet wurden.

Geschichte der Halbleiterlaser

Halbleiterlaser wurden in den frühen 1960er Jahren als homogene Sperrschichtlaser entwickelt, d. h. als pn-Übergangsdioden aus einem einzigen Material. Bei einer hohen Vorwärtsstrominjektion wurden kontinuierlich Elektronen in den p-Bereich und Löcher in den n-Bereich injiziert, was zu einer Umkehrung der Ladungsträgerverteilung in der ursprünglichen pn-Übergangs-Verarmungszone führte. Da die Elektronenmigrationsrate schneller ist als die Lochmigrationsrate, kommt es in der aktiven Zone zur Emission von Strahlung und Verbundteilchen, die Fluoreszenz ausstrahlen, und unter bestimmten Bedingungen entsteht ein pulsförmiger Halbleiterlaser.

Die zweite Stufe der Entwicklung von Halbleiterlasern ist der Heterostruktur-Halbleiterlaser, der aus zwei dünnen Schichten von Halbleitermaterialien mit unterschiedlicher Bandlücke besteht, z. B. GaAs und GaAlAs. Der erste dieser Laser war ein einzelner Heterostrukturlaser (1969). Einzelne Heteroübergangs-Injektionslaser (SHLD) in der p-Zone des GaAsP-N-Übergangs zur Verringerung der Schwellenstromdichte, deren Wert um eine Größenordnung niedriger ist als der von Homoübergangslasern, aber Einzel-Heteroübergangslaser können immer noch nicht kontinuierlich bei Raumtemperatur arbeiten.

Seit den späten 1970er Jahren haben sich Halbleiterlaser eindeutig in zwei Richtungen entwickelt. Die eine ist die Entwicklung von informationsbasierten Lasern zur Informationsübertragung, die andere die Entwicklung von leistungsbasierten Lasern zur Erhöhung der optischen Leistung. Dies wurde durch Anwendungen wie gepumpte Festkörperlaser vorangetrieben, und Hochleistungs-Halbleiterlaser (kontinuierliche Ausgangsleistung von 100 mW oder mehr, gepulste Ausgangsleistung von 5 W oder mehr) gelten heute als Hochleistungs-Halbleiterlaser.

In den 1990er Jahren kam es zu einem Durchbruch in der Halbleiterlasertechnologie, der durch einen erheblichen Anstieg der Ausgangsleistung von Halbleiterlasern gekennzeichnet war. Hochleistungs-Halbleiterlaser der Kilowattklasse wurden auf den Markt gebracht, und die Ausgangsleistung der heimischen Mustergeräte erreichte 600 W. Auch die Laserwellenlängen erweiterten sich von Infrarot-Halbleiterlasern auf rote Halbleiterlaser mit 670 nm, gefolgt von der Einführung von Halbleiterlasern mit Wellenlängen von 650 nm, 635 nm, blau-grün und blau. Auch violette und sogar ultraviolette Halbleiterlaser im 10-mW-Bereich wurden erfolgreich entwickelt.

In den späten 1990er Jahren wurde die Entwicklung von oberflächenemittierenden Lasern und oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator für eine Vielzahl von Anwendungen in der ultra-parallelen Optoelektronik in Betracht gezogen. Geräte bei 980 nm, 850 nm und 780 nm wurden in optischen Systemen eingesetzt. Derzeit werden oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator in Hochgeschwindigkeitsnetzen für Gigabit-Ethernet eingesetzt.

Anwendungen von Halbleiterlasern

Halbleiterlaser sind eine Klasse von Lasern, die aufgrund ihres großen Wellenlängenbereichs, ihrer einfachen Herstellung, ihrer geringen Kosten, ihrer einfachen Massenproduktion, ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts und ihrer langen Lebensdauer früher ausgereift sind und schneller Fortschritte gemacht haben. Daher hat sich ihre Entwicklung schnell vollzogen, und es gibt inzwischen mehr als 300 verschiedene Anwendungen.

1. Anwendung in Industrie und Technik

(1) Faseroptische Kommunikation:

Halbleiterlaser sind die einzige praktikable Lichtquelle für faseroptische Kommunikationssysteme, und die faseroptische Kommunikation ist zum Hauptbestandteil der heutigen Kommunikationstechnologie geworden.

(2) Zugriff auf optische Datenträger:

Halbleiterlaser wurden für den optischen Plattenspeicher verwendet, und ihr größter Vorteil ist die große Menge an gespeicherten Ton-, Text- und Grafikinformationen. Durch den Einsatz von blauen und grünen Lasern kann die Speicherdichte optischer Datenträger erheblich verbessert werden.

(3) Spektralanalyse:

Im fernen Infrarot abstimmbare Halbleiterlaser wurden für die Analyse von Umweltgasen, die Überwachung der Luftverschmutzung, Autoabgase usw. eingesetzt. In der Industrie können sie zur Überwachung des Prozesses der Dampfphasenausfällung verwendet werden.

(4) Optische Informationsverarbeitung:

Halbleiterlaser wurden in optischen Informationsmanagementsystemen eingesetzt. Oberflächenemittierende 2D-Halbleiterlaser-Arrays sind ideale Lichtquellen für optische Parallelverarbeitungssysteme und werden in Computern und optischen neuronalen Netzen eingesetzt.

(5) Laser-Mikrofabrikation:

Gütegeschaltete Halbleiterlaser erzeugen hochenergetische ultrakurze Lichtimpulse zum Schneiden und Stanzen integrierter Schaltungen.

(6) Laser-Alarm:

Halbleiter-Lasermelder werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. Einbruchalarm, Wasserstandsalarm, Abstandsalarm für Autos usw.

(7) Laserdrucker:

Hochleistungs-Halbleiterlaser werden in Laserdruckern eingesetzt. Die Verwendung von blauen und grünen Lasern kann die Druckgeschwindigkeit und Auflösung erheblich verbessern.

(8) Laser-Barcode-Scanner:

Halbleiter-Laser-Barcode-Scanner werden häufig für das Merchandising sowie für die Buch- und Dateiverwaltung eingesetzt.

(9) Gepumpte Festkörperlaser:

Dies ist eine wichtige Anwendung von High-Power-Halbleiter-Laser, mit ihnen zu ersetzen, die ursprüngliche Atmosphäre Lampe, kann eine All-Festkörper-Laser-System.

(10) Hochauflösendes Laserfernsehen:

In naher Zukunft könnten Halbleiterlaser-Fernseher ohne Kathodenstrahlröhren auf den Markt kommen, die rote, blaue und grüne Laser verwenden und schätzungsweise 20% weniger Strom verbrauchen als bisherige Fernsehgeräte.

2. Anwendung in der medizinischen und biowissenschaftlichen Forschung

(1) Laserchirurgische Behandlung

Halbleiterlaser werden für die Exzision von Weichgewebe, die Gewebeverbindung, die Koagulation und die Vaporisation eingesetzt. Sie sind in der allgemeinen Chirurgie, plastischen Chirurgie, Dermatologie, Urologie, Geburtshilfe und Gynäkologie weit verbreitet.

(2) Kinetische Laserbehandlung

Lichtempfindliche Substanzen, die eine Affinität zu Tumoren haben, werden selektiv im Krebsgewebe gesammelt und mit einem Halbleiterlaser bestrahlt, um reaktive Sauerstoffspezies im Krebsgewebe zu erzeugen, mit dem Ziel der Nekrose ohne Schädigung des gesunden Gewebes.

(3) Biowissenschaftliche Forschung

Der Einsatz von "optischen Pinzetten" aus Halbleiterlasern, die lebende Zellen oder Chromosomen einfangen und an einen beliebigen Ort bringen können, wurde zur Förderung der Zellsynthese, der Zellinteraktion und anderer Forschungsarbeiten sowie als Diagnosetechnik für die Forensik eingesetzt.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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