Vật liệu và linh kiện bán dẫn laser bán dẫn

 Áp suất, nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc phổ của laser  Laser bán dẫn, hiệu ứng laser được tạo bởi dòng qua tiếp xúc p-n do đó dễ điều biếp-n bởi dòp-ng và thời giap-n sốp-ng củ

Đặt vấn đề

 Ánh sáng đã có từ lâu khi mà sinh vật còn chưa xuất hiện trên thế giới này Thế giới ánh sáng rất bao la và huyền diệu Đó

là ánh sáng của Mặt Trời, các vì sao, của ngọn lửa và ánh

đèn Ánh sáng đã đem lại sự sống cho con người

 Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật phát triển có nhiều nguồn sáng mà con người tạo ra phục vụ cho nhu cầu ngày càng

tăng của mình Một trong những thành tựu nổi bật của thế kỷ

XX đó là việc tạo ra laser (phát minh năm 1960)

 Bức xạ của chúng không thể biến thiên và điều khiển một cách liên tục được, hay ta thường nói là không điều hưởng được

 Hiệu suất của laser bán dẫn rất cao, có thể đạt đến 70%

Trong khi đó, hiệu suất của laser rắn cỡ 5-7%, laser khí cỡ 20%

 Để giải quyết được vấn đề trên người ta chế tạo laser bán dẫn với cấu trúc nhiều lớp phức tạp Cấu trúc này là những lớp tiếp xúc dị thể.

LASER BÁN DẪN - CẤU TẠO

1 Định nghĩa

 Laser (Light Amplification by Stimulated Emisson of

Radiation) là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức

2.Cấu tạo

 Một laser bán dẫn có cấu tạo là một tiếp xúc p-n có dạng

hình hộp, chiều rộng cỡ 1-3mm, chiều cao cỡ 0,05mm đến 0,1mm, bề dày lớp tiếp xúc d cỡ 2 micomet

 Hai bên phẳng và song song với nhau có vai trò là hai gương phản xạ trong giao thoa kế Fabry-Perot

LASER BÁN DẪN - CẤU TẠO

 Kích thước nhỏ (chiều dài cỡ 0,1mm), vùng hoạt tính rất hẹp, do

đó độ phân kỳ của chùm tia laser bán dẫn lớn hơn nhiều so với laser rắn và laser khí.

 Áp suất, nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc phổ của laser

 Laser bán dẫn, hiệu ứng laser được tạo bởi dòng qua tiếp xúc

p-n do đó dễ điều biếp-n bởi dòp-ng và thời giap-n sốp-ng của photop-n rất

bé nên có thể điều chế ở tần số cao.

LASER BÁN DẪN - NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG

 Một laser hoạt động được cần có các điều kiện sau :

 Cần có một môi trường hoạt tính

 Dùng các phương pháp bơm để làm cho môi trường đó trở thành môi trường nghịch đảo mật độ đảo lộn

 Cần dùng một cơ cấu để khuếch đại bức xạ phát ra Cơ cấu này gọi là buồng cộng hưởng

LASER BÁN DẪN- NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG

 Môi trường hoạt tính là môi trường bao gồm các nguyên tử

mà trong cấu trúc của chúng có sẵn các mức năng lượng nửa bền hoặc có khả năng tạo ra các mức năng lượng nửa bền Môi trường hoạt tính có khả năng phát ra bức xạ Laser

 Bơm là dùng một tác nhân nào đó để kích thích các nguyên

tử tạo ra môi trường mật độ đảo lộn

 Môi trường mật độ đảo lộn là môi trường chứa các nguyên tử

ở trạng thái kích thích và trong các nguyên tử kích thích này

số electron ở mức năng lượng cao nhiều hơn số electron ở mức năng lượng thấp

LASER BÁN DẪN- TIẾP XÚC P-N

2 Phương pháp kích thích laser bán dẫn

2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n

Miền hoạt tính

Không có trường ngoài Khi có trường ngoài

_ Miền hoạt tính chứa đồng thời điện tử và lỗ trống

bức xạ có tần số được khuếch đại khi đi qua miền này.

) (

2 Phương pháp kích thích laser bán dẫn

2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n

2 Phương pháp kích thích laser bán dẫn

2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n

~ ) (

2 Phương pháp kích thích laser bán dẫn

2.1 Phun dòng qua lớp tiếp xúc p-n

Điều kiện tự kích

2 1

n

r r

1 ln L 2

1 G

máy phát tự kích khi: G  Gn

_ Do kích thước nhỏ nên công suất không lớn.

_ Khó khăn trong chế tạo lớp tiếp xúc p-n có Eg lớn _ Không nhận được chùm laser trong dãy sóng ngắn.

2 Phương pháp kích thích laser bán dẫn

2.2 Kích thích bằng chùm điện tử

_ Kích thích: chùm điện tử nhanh, năng lượng ~ 50keV

2 Phương pháp kích thích laser bán dẫn

2.2 Kích thích bằng chùm điện tử

Điện tử mất năng lượng khi “oanh tạc” lên bán dẫn

Điện tử từ vùng HT lên các mức cao của VD:

Điện tử mới từ vùng HT lên VD

Quá trình chuyển điện tử lên VD được phát triển như

“thác lũ”

2 Phương pháp kích thích laser bán dẫn

2.1 Cấu trúc của tiếp xúc dị thể

2.1.1 Tiếp xúc dị thể đơn SH (single heterojunction)

* Các bước nhảy đột ngột

của mức năng lượng đóng

vai trò hai vách của một hố

thế năng trong đó có thể

nhốt các electron

* Khi phân cực thuận, các lỗ trống được phun vào vùng hoạt tính còn các electron không thể vượt qua rào thế để đi vào bán dẫn p Do đó một số lượng lớn các lỗ trống sẽ tái hợp với electron trong vùng hoạt tính.

GaxAl1-xAs loại n GaAs loại p

2.1.2 Tiếp xúc dị thể kép DH (double heterojunction)

* Xét một cấu trúc gồm hai tiếp

cong vùng năng lượng tạo nên

một hố thế năng đối với electron

c E



v E



2.1.3 Siêu mạng

Sơ đồ siêu mạng với cấu trúc tiếp xúc

dị thể

Nếu chúng ta tạo các tiếp xúc

dị thể nhiều lớp kế tiếp nhau

ta sẽ có một dãy các hố thế

năng giống hệt nhau, cách

đều nhau một khoảng cách

1 Phương pháp lắng đọng định hướng pha lỏng LPE (Liquid Phase Epitaxy)

2 Phương pháp kết tủa hóa pha hơi từ hợp chất kim loại

- hữu cơ - Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)

3 Epitaxy chùm phân tử MBE (Molecular Beam Epitaxy)

Kiểm soát nhiệt

độ

Đồng hồ đo nhiệt độ Đèn 4 cực

Hộp khí tinh khiết Ống phản ứng (tan-kết

tủa) bằng thạch anh Giá đỡ bộ nạp

Bình ngưng giải nhiệt

nước

Hệ thống lắng đọng định hướng pha lỏng LPE

Phương pháp lắng đọng định hướng pha lỏng LPE

Sơ đồ epitaxy chùm phân tử MBE

Epitaxy chùm phân tử MBE

Hệ thống epitaxy chùm phân tử MBE

4 So sánh các phương pháp

Ưu điểm:

* Môi trường chế tạo mẫu sạch

* Tạo các màng mỏng chất lượng cao

PHÂN LOẠI LASER BÁN DẪN

 1.Laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép

 2.Laser bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử

 3.Laser giếng lượng tử từng bậc QCL

 4.Laser cấu trúc dị thể chôn BH

 5.Laser phân bố hồi tiếp DFB

 6.Laser phát xạ mặt có buồng cộng hưởng đứng VCSEL

 7.Laser buồng cộng hưởng ngoài

ỨNG DỤNG - LASER BÁN DẪN

- Đĩa CD gồm nhiều rãnh, trên

mỗi rãnh có khắc rất nhiều

phần lồi lõm, Khi tia laser

chiếu vào các phần lồi này thì

sẽ bị phản xạ lại và đầu đọc sẽ

nhận tín hiệu ánh sáng này và

sẽ giải mã thành tín hiệu 1

- Ngược lại khi laser chiếu vào

phần lõm trên đường dữ liệu

sẽ không có tia phản xạ lại,

hiễn nhiên tính hiệu đó sẽ

được giãi mã là 0 Như vậy ta

được một dãy số nhị phân.

- Các phần lồi lõm trên một đĩa CD không thể quá mịn, nếu không laser sẽ không được đọc chúng.

-Kích cỡ tối thiểu này được gọi là giới hạn nhiễu xạ và nó bằng khoảng một nửa bước sóng của ánh sáng laser

-Để nhồi nhét nhiều dữ liệu hơn vào những rãnh càng mịn hơn, những thế hệ công nghệ kế tiếp nhau đã sử dụng những laser

có bước sóng ngày một ngắn hơn

Ứng dụng trong ghi, đọc, đĩa CD

Ứng dụng trong ghi, đọc, đĩa CD

Ứng dụng trong thông tin quang

• Khuếch đại tín hiệu bằng phương pháp quang

• Dùng Laser để bơm vào sợi quang để bù lại suy hao

• Quá trình bơm EDFAs dùng Laser InGaAs hoặc GaAs trong vùng bước sóng 900-1100nm

- Dùng laser bơm cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đạo nồng độ trong vùng tích cực.

- Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion erbium lên trạng thái kích thích

- Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp tại bước sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp tại bước sóng 980 nm

Bút trỏ laser

Bút trỏ màu đỏ

635 nm – AlGaInP

Bút trỏ lục

Bút trỏ lục

• Dùng Laser rắn với Laser bán dẫn làm nguồn bơm

• Bút trỏ màu lục cho ra Laser ở tần số 532nm

sóng 808 nm qua môi trường hoạt tính là

bước sóng ở vùng màu lục

Bút trỏ lam

• Có thể dùng trực tiếp laser bán dẫn InGaN phát

ra bước sóng cỡ 450nm

• Hoặc dùng hệ thống Laser bán dẫn làm nguồn bơm cho Nd:YAG hoặc Nd:YVO4, cho bước sóng cỡ 473nm

• Laser màu lam hiện còn khá đắt

Máy chiếu Laser

Cơ chế như máy chiếu thông thường, bằng việc phối ba màu cơ bản RGB, sẽ tạo ra hình ảnh trên màn chiếu Dùng Laser bán dẫn có thể thu gọn kích cỡ máy chiếu có thể tích hợp được trọng cả Iphone hoặc có thể có được các máy chiếu công suất cao có độ phân giải rất lớn

Máy chiếu laser

Quang phổ kế hấp thụ dùng laser bán dẫn có thể điều chỉnh

Máy phát hiện nồng độ Methan dùng quang phổ kế hấp thụ Laser

Dùng trong nguồn sáng của kính

hiển vi huỳnh quang

• Laser Diod 405 nm 30 mW dùng cho các

thuốc nhuộm huỳnh quang trong dải quang

phổ gần tia UV (cực tím) Ví dụ: DAPI,

Hoechst

• Dùng đồng thời các thuốc nhuộm huỳnh quang trong dải quang phổ xanh (kích thích: 458/477 hoặc 488 nm; như GFP, CFP, Lucifer Yellow

• Kính hiển vi huỳnh quang

GHI BẢN TRỰC TIẾP VỚI LASER HỒNG

NGOẠI VÀ BẢN NHIỆT

- Kỹ thuật ghi bản nhiệt với laser hồng ngoại có bước sóng 830 nm đã có một quá trình hình thành và phát triển lâu dài với một trong những hãng tiên phong là Creo mà ngày nay

là Kodak

• Ghi bản với trống ngoại

• Các nguồn sáng laser nhiệt được dùng chủ yếu hiện nay là laser diode hay laser bán dẫn có bước sóng 830

nm và hoạt động ở một trong hai chế độ liên tục hay xung

Thiết bị laser bán dẫn châm cứu 10 đầu châm

- Là thiết bị châm cứu bằng

tia Laser, đuợc chế tạo theo

công nghệ kỹ thuật số , thiết

bị có 10 kênh đầu ra với 10

đầu châm riêng biệt có 8 tần

nhau lên cơ thể sống

- Người ta đã chứng minh được rằng các ánh đỏ vùng khả kiến

và ánh sáng vùng hồng ngoại có

ít nhất 24 sự thay đổi ở mức tế bào

CHÂN THÀNH CẢM ƠN QUÝ THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ

CHÚ Ý LẮNG NGHE