Láseres de Semiconductor: Generación Precisa de Luz para Tecnología Moderna

Antecedentes

Un láser —acrónimo de Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación— es un dispositivo que convierte energía en luz. Energía eléctrica u óptica se usa para excitar átomos o moléculas, que luego emiten luz. Un láser consiste en una cavidad, con espejos planos o esféricos en los extremos, rellena de material láser. Este material puede excitarse a un estado semistable por luz o descarga eléctrica. El material puede ser cristal, vidrio, líquido, colorante o gas mientras pueda excitarse así.

La cavidad más simple tiene dos espejos, uno que refleja totalmente y otro que refleja entre 50 y 99%. Al rebotar la luz entre estos espejos, la intensidad aumenta. Como la luz láser viaja como haz intenso, el láser produce luz muy brillante. Los haces láser también pueden proyectarse a grandes distancias, y enfocarse en un punto muy pequeño.

El tipo de espejo determina el tipo de haz. Un haz muy brillante, altamente monocromático (una longitud de onda o color) y coherente se produce cuando un espejo transmite solo 1-2% de la luz. Si se usan espejos planos, el haz es altamente colimado (hecho paralelo). El haz sale cerca de un extremo de la cavidad cuando se usan espejos cóncavos. El tipo de haz en el primer caso hace los láseres muy útiles en medicina, ya que estas propiedades permiten al médico apuntar al área deseada con más precisión, evitando daño a tejido circundante.

Un láser de semiconductor convierte energía eléctrica en luz. Esto es posible usando material semiconductor, cuya capacidad para conducir electricidad está entre conductores e aislantes. Dopando un semiconductor con cantidades específicas de impurezas, el número de electrones cargados negativamente o huecos cargados positivamente puede cambiarse.

Comparados con otros tipos de láser, los de semiconductor son compactos, fiables y duraderos. Tales láseres constan de dos componentes básicos: un amplificador óptico y un resonador. El amplificador se hace de material semiconductor de banda directa basado en sustratos de arseniuro de galio (GaAs) o InP. Son compuestos basados en elementos del Grupo III y V de la tabla periódica. Aleaciones de estos materiales se forman sobre los sustratos como estructuras en capas con cantidades precisas de otros materiales.

El resonador recircula continuamente luz a través del amplificador y ayuda a enfocarla. Este componente suele consistir en una guía de onda y dos espejos plano-paralelos. Estos espejos se recubren con material para aumentar o disminuir reflectividad y mejorar resistencia a daño por altas densidades de potencia.

El rendimiento y coste de un semiconductor depende de su potencia de salida, brillo y vida operativa. La potencia importa porque determina el rendimiento máximo o tasa de alimentación de un proceso. Alto brillo, o capacidad de enfocar la salida láser a un punto pequeño, determina eficiencia energética. La vida útil importa porque cuanto más dura un láser, menos cuesta operarlo, crítico en aplicaciones industriales.

Los láseres de semiconductor más simples constan de un único emisor que produce más de un vatio de potencia de onda continua. Para aumentar potencia, se han desarrollado barras y módulos multibarra o apilados. Una barra es un array de 10 a 50 láseres de semiconductor individuales lado a lado integrados en un solo chip y una pila es un array bidimensional de múltiples barras. Las barras pueden producir 50 vatios de potencia de salida y durar más de 5.000 horas. Como tales potencias altas producen mucho calor, sistemas de refrigeración deben incorporarse al diseño.

Historia

El concepto detrás de los láseres fue propuesto primero por Albert Einstein, quien mostró que la luz consiste de energías de onda llamadas fotones. Cada fotón tiene una energía correspondiente a la frecuencia de las ondas. Cuanto mayor la frecuencia, mayor la energía transportada. Einstein y otro científico, S. N. Bose, desarrollaron luego la teoría detrás de la tendencia de los fotones a viajar juntos.

La acción láser se demostró primero en región de microondas en 1954 por el Nobel Charles Townes y colaboradores. Proyectaron un haz de moléculas de amoníaco a través de un sistema de electrodos de foco. Al pasar potencia de microondas de frecuencia apropiada por la cavidad, ocurrió amplificación y nació el término Amplificación de Microondas por Emisión Estimulada de Radiación (MASER). El término láser se acuñó primero en 1957 por el físico Gordon Gould.

Townes también trabajó con Arthur Schawlow y los dos propusieron el láser en 1958, recibiendo patente en 1960. El primer láser práctico se inventó ese mismo año por el físico Theodore Maiman, mientras trabajaba en Hughes Research Laboratories. Este láser usaba un cristal de rubí rosa rodeado por un tubo de flash dentro de una cavidad cilíndrica de aluminio pulido refrigerada por aire forzado. Dos años después, un rubí de láser continuo se hizo reemplazando la lámpara de flash por lámpara de arco.

En 1962, la acción láser en material semiconductor fue demostrada por Robert Hall e investigadores de General Electric, seguidos pronto por otros investigadores de EE. UU. Tardó unos diez años en desarrollarse el primer láser diodo semiconductor que operara a temperatura ambiente, demostrado primero por investigadores rusos. Bell Labs siguió el éxito ruso, mejorando también vidas útiles. En 1975, Diode Laser Labs de Nueva Jersey introdujo el primer láser semiconductor comercial a temperatura ambiente.

A pesar de este progreso, estos láseres seguían siendo inadecuados para telecomunicaciones. En su lugar encontraron amplio uso (tras otras mejoras de rendimiento y vida) en discos compactos de audio tras Philips (Países Bajos) y Sony (Japón) desarrollar un CD en 1980 usando láser diodo. A finales de la década, decenas de millones de reproductores CD se vendían anualmente. Más recientemente, discos de video digitales se han vuelto disponibles para almacenamiento óptico, también basados en láseres diodo.

A medida que la potencia ha aumentado, los láseres de semiconductor se han expandido a otras aplicaciones. Desde 1995, el rendimiento de láseres diodo de alta potencia ha saltado factor 25. Con esta mayor fiabilidad, grandes grupos de láseres diodo pueden combinarse para crear "pilas" de hasta 25 láseres diodo individuales.

En 1999, los ingresos por láser-diodo representaban 64% de todos los láseres vendidos, subiendo de 57% en 1996, y se proyectaba alcanzar 69% en 2000. En unidades vendidas, los láseres de semiconductor representan ~99% del total (más de 400 millones de unidades), significando que la mayoría de luz láser se produce ahora directa o indirectamente (via bombeo diodo) por láseres de semiconductor. Además de aplicaciones industriales, los láseres de semiconductor se usan como fuentes de bombeo para láseres de estado sólido y láseres de fibra, en aplicaciones gráficas como pruebas de color e impresión directa a plancha digital, y para varias aplicaciones médicas y militares (iluminación y telemetría de objetivos). En 2000, Laser Focus World estimó que ~34% de láseres de terapia médica eran de tipo semiconductor.

Materias Primas

El láser de semiconductor convencional consiste en semiconductor compuesto, arseniuro de galio. Este material viene en lingotes que se procesan luego en sustratos a los que se añaden capas de otros materiales. Los materiales para formar estas capas se pesan precisamente según fórmula específica. Otros materiales usados para hacer este tipo de láser incluyen ciertos metales (cinc, oro, cobre) como aditivos (dopantes) o electrodos, y dióxido de silicio como aislante.

Diseño

El diseño básico de un láser de semiconductor consiste en una "doble heteroestructura". Esto consta de varias capas con diferentes funciones. Una capa activa o de amplificación de luz se intercala entre dos capas de revestimiento. Estas capas de revestimiento proveen inyección de electrones en la capa activa. Como la capa activa tiene índice de refracción mayor que las de revestimiento, la luz se confina en la capa activa.

El rendimiento del láser puede mejorarse cambiando el diseño de la unión para reducir pérdida por difracción en la cavidad óptica. Esto es posible modificando el material láser para controlar el índice de refracción de la cavidad y el ancho de la unión. El índice de refracción del material depende del tipo y cantidad de impureza. Por ejemplo, si parte del galio en la capa cargada positivamente se reemplaza por aluminio, el índice de refracción se reduce y la luz láser se confina mejor a la cavidad óptica.

El ancho de la unión también afecta rendimiento. Una dimensión estrecha confina la corriente a una sola línea a lo largo del láser, aumentando densidad de corriente. La potencia pico debe limitarse a no más de 400 vatios por cm de longitud de unión y densidad de corriente a menos de 6.500 amperios por cm² en la unión para extender la vida del láser.

Proceso de Fabricación

Fabricación del Sustrato

• 1. Los sustratos se fabrican usando técnica de crecimiento de cristal llamada método Czochralski, donde un cristal crece desde un fundido. Los elementos se mezclan primero y luego se calientan para formar solución. La solución se enfría, solidificando el material. Un cristal semilla se fija al fondo de un brazo vertical de modo que la semilla contacta apenas el material en la superficie del fundido. El brazo se eleva lentamente, y un cristal crece debajo en la interfaz entre cristal y fundido. Usualmente el cristal rota lentamente para evitar impurezas. Midiendo el peso del cristal durante el estirado, controles computarizados pueden variar la tasa de estirado para producir cualquier diámetro deseado.

Crecimiento de Capas

• 2. El método más común para crecer capas sobre el sustrato se llama epitaxia de fase líquida (LPE). Capas que tienen la misma o fija dirección de crecimiento cristalino que la del sustrato pueden crecerse cuando el sustrato contacta con una solución de composición deseada. Al bajar la temperatura, el compuesto semiconductor (como GaAs) sale de la solución en forma cristalina y se deposita sobre el sustrato.

  Un sistema LPE consiste en un reactor (donde crecen las capas), sistema de carga de sustrato, sistema de bomba y escape (para remover aire o gases impuros tras poner o sacar materiales), sistema de flujo de gas (para mover hidrógeno a través del reactor para remover gases impuros) y sistema de control de temperatura. Materiales puros se usan para el reactor para que las capas no se contaminen. La caja de carga suele llenarse con nitrógeno para purgar aire al abrir el reactor. El reactor típicamente consiste en un tubo de cuarzo, donde se colocan una barca de grafito y soporte de barca. La barca de grafito consiste en marco exterior, soporte de sustrato, espaciador y caja de fundido.

• 3. Los materiales fuente para las capas se enjuagan y graban primero para limpiar la superficie. Tras secar los materiales grabados, se cargan en cada caja de fundido de la barca de grafito. Para crecer cada capa, los materiales se funden primero calentando a temperatura específica y luego el soporte de sustrato se arrastra con el sustrato del primer fundido al siguiente. El sustrato se mantiene en cada fundido por tiempo determinado bajo tasa de enfriamiento fija, usualmente 0,5°C por minuto, según programa específico para cada composición. La temperatura se controla automáticamente usando sensores termopar.

Fabricación del Dispositivo Láser

• 4. Tras crecer la estructura en capas, varios procesos completan el dispositivo láser. Primero, el sustrato se pule mecánicamente hasta reducir espesor a 70-100 micras en preparación para hendido. Luego, una película muy fina de dióxido de silicio se forma en la superficie del sustrato. Estrías se forman por fotolitografía y grabado químico. Electrodos de contacto se aplican por método de evaporación. A continuación, un resonador láser se forma hendiendo la oblea a lo largo de planos cristalinos paralelos. Los dispositivos láser completados se fijan a un disipador de cobre por un lado y un pequeño contacto eléctrico por el otro.

Control de Calidad

El sustrato sobre el que crece la estructura semiconductor debe cumplir requisitos sobre dirección cristalina, densidad de picaduras de grabado (EPD), concentración de impurezas, espesor de sustrato y tamaño de oblea. La dirección cristalina debe estar dentro de pocos grados. Picaduras de grabado, que son colinas u hoyos rectangulares, se revelan grabando selectivamente el sustrato con solución ácida. La densidad de picaduras (número por cm²) se usa para estimar densidad de dislocaciones, que afecta vida del láser. Se requiere EPD de 10³ por cm² o menos. Concentraciones de impurezas ~10¹⁸ por cm³. Sustratos pueden llegar a 7,6 cm de diámetro y típicamente se cortan en piezas de 350 micras.

Tras el proceso de crecimiento, la superficie de la oblea semiconductor se examina por microscopio óptico. Para examinar la estructura en capas, una sección transversal de oblea hendida o pulida se tiñe y graba para aumentar contraste de capas usando microscopio electrónico de barrido. Difracción de rayos X determina composiciones de capas y mide patrones de red de la estructura. Concentración de impurezas e índice de refracción de capas también se miden con varios métodos analíticos. Tras fabricar el dispositivo láser, parámetros operativos como curvas voltaje/corriente, densidad de corriente umbral y características espectrales se miden.

El Futuro

Analistas de Frost & Sullivan predicen que el mercado de sistemas láser diodo alcanzará casi 4.600 millones de dólares para 2005. Este crecimiento se debe parcialmente a aplicaciones en expansión en procesamiento de materiales conforme láseres diodo de alta potencia se vuelven más baratos que láseres de estado sólido. El tamaño compacto y eficiencia eléctrica también hacen atractivos los láseres de semiconductor de alta potencia para aplicaciones industriales como tratamiento térmico y soldadura. Nuevas composiciones de materiales y métodos de procesado también se desarrollan para expandir aplicaciones.