เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คืออะไร?

นับตั้งแต่การประดิษฐ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เครื่องแรกของโลกในปี 2505 เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ส่งเสริมการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอื่น ๆ อย่างมาก และถือเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของมนุษย์ในศตวรรษที่ 20 ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้พัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็วและกลายเป็นเทคโนโลยีเลเซอร์ที่เติบโตเร็วที่สุดในโลก ช่วงการใช้งานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ครอบคลุมทั้งด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์และได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักของวิทยาศาสตร์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน เนื่องจากข้อดีของขนาดที่เล็ก โครงสร้างที่เรียบง่าย พลังงานอินพุตต่ำ อายุการใช้งานยาวนาน การมอดูเลตที่ง่ายดาย และราคาต่ำ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์และได้รับความนิยมอย่างสูงจากประเทศต่างๆ ทั่วโลก

เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์
A เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์เป็นเลเซอร์ขนาดเล็กที่ใช้จุดเชื่อมต่อ Pn หรือจุดต่อ Pin ที่ประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างแถบตรงเป็นสารทำงาน มีวัสดุที่ใช้ทำเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์หลายสิบชนิด วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำขึ้นเป็นเลเซอร์ ได้แก่ แกลเลียมอาร์เซไนด์, อินเดียมอาร์เซไนด์, อินเดียมแอนติโมไนด์, แคดเมียมซัลไฟด์, แคดเมียมเทลลูไรด์, ลีดซีลีไนด์, ลีดเทลลูไรด์, อลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์, อินเดียมฟอสฟอรัส, สารหนู ฯลฯ วิธีเซมิคอนดักเตอร์หลักมีสามวิธี เลเซอร์ ได้แก่ แบบฉีดด้วยไฟฟ้า แบบปั๊มแสง และแบบกระตุ้นด้วยลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง วิธีการกระตุ้นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่คือการฉีดด้วยไฟฟ้า กล่าวคือ แรงดันไปข้างหน้าถูกนำไปใช้กับทางแยก Pn เพื่อสร้างการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นในบริเวณระนาบทางแยก นั่นคือไดโอดแบบเอนเอียงไปข้างหน้า ดังนั้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงเรียกว่าเลเซอร์ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระหว่างแถบพลังงานมากกว่าระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง พลังงานการเปลี่ยนแปลงจึงไม่ใช่ค่าที่แน่นอน ซึ่งทำให้ความยาวคลื่นเอาต์พุตของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กระจายไปในวงกว้าง ในช่วง ความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาอยู่ระหว่าง 0.3 ถึง 34 μม. ช่วงความยาวคลื่นถูกกำหนดโดยช่องว่างแถบพลังงานของวัสดุที่ใช้ ที่พบมากที่สุดคือเลเซอร์เฮเทอโรจังก์ชันคู่ AlGaAs ซึ่งมีความยาวคลื่นเอาต์พุต 750-890 นาโนเมตร
เทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์มีประสบการณ์ตั้งแต่วิธีการแพร่กระจายไปจนถึง epitaxy เฟสของเหลว (LPE), เฟสอีพิแทกซีของไอ (VPE), โมเลกุลของลำแสงอีพิทาซี (MBE), วิธี MOCVD (การสะสมไอของสารประกอบอินทรีย์โลหะ), อีพิทาซีลำแสงเคมี (CBE) ) และการผสมผสานที่หลากหลายของพวกเขา ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คือประสิทธิภาพของเลเซอร์ได้รับผลกระทบอย่างมากจากอุณหภูมิ และมุมไดเวอร์เจนซ์ของลำแสงมีขนาดใหญ่ (โดยทั่วไประหว่างสองสามองศาถึง 20 องศา) ดังนั้นจึงมีทิศทางที่ต่ำ ความสม่ำเสมอของสีและความสอดคล้องกัน อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี การวิจัยของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังก้าวหน้าไปในทิศทางของความลึก และประสิทธิภาพของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ก็มีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นแกนกลางจะทำให้มีความก้าวหน้ามากขึ้นและมีบทบาทมากขึ้นในสังคมข้อมูลของศตวรรษที่ 21

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทำงานอย่างไร
A เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์เป็นแหล่งรังสีที่สอดคล้องกัน ในการสร้างแสงเลเซอร์ ต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขพื้นฐานสามประการ:
1. เงื่อนไขการรับ: มีการสร้างการกระจายการผกผันของตัวพาในสื่อ lasing (ภูมิภาคที่ใช้งานอยู่) ในเซมิคอนดักเตอร์ แถบพลังงานที่แสดงพลังงานอิเล็กตรอนประกอบด้วยชุดของระดับพลังงานที่ใกล้เคียงกับค่าต่อเนื่อง ดังนั้นในสารกึ่งตัวนำ เพื่อให้เกิดการผกผันของประชากร จำนวนอิเล็กตรอนที่ด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าในสถานะพลังงานสูงจะต้องมากกว่าจำนวนรูที่ด้านบนของแถบวาเลนซ์ของพลังงานต่ำมาก รัฐระหว่างภูมิภาคแถบพลังงานทั้งสอง heterojunction นั้นมุ่งไปข้างหน้าเพื่อฉีดพาหะที่จำเป็นเข้าไปในชั้นแอคทีฟเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์ที่มีพลังงานต่ำกว่าไปยังแถบการนำไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงกว่า การปล่อยก๊าซกระตุ้นเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนจำนวนมากในสถานะการผกผันของประชากรจะรวมเข้ากับรู
2. เพื่อให้ได้รังสีที่ถูกกระตุ้นที่สอดคล้องกันจริง ๆ จะต้องป้อนรังสีที่ถูกกระตุ้นกลับหลายครั้งในเครื่องสะท้อนแสงเพื่อสร้างการสั่นของเลเซอร์ เลเซอร์เรโซเนเตอร์ถูกสร้างขึ้นโดยพื้นผิวร่องตามธรรมชาติของคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์เป็นกระจก โดยปกติในตอนท้ายที่ไม่ปล่อยแสงจะเคลือบด้วยฟิล์มไดอิเล็กทริกหลายชั้นที่มีการสะท้อนแสงสูงและพื้นผิวที่เปล่งแสงจะเคลือบด้วยสารป้องกัน ฟิล์มสะท้อนแสง. สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ช่อง F-p (ช่อง Fabry-Perot) ช่อง F-p สามารถเกิดขึ้นได้ง่ายโดยใช้ระนาบร่องลึกตามธรรมชาติของคริสตัลตั้งฉากกับระนาบแยก p-n
3. เพื่อสร้างการสั่นที่เสถียร สื่อเลเซอร์จะต้องสามารถให้เกนขนาดใหญ่เพียงพอเพื่อชดเชยการสูญเสียแสงที่เกิดจากเรโซเนเตอร์และการสูญเสียที่เกิดจากเอาต์พุตเลเซอร์จากพื้นผิวโพรง ฯลฯ และอย่างต่อเนื่อง เพิ่มสนามแสงในช่อง สิ่งนี้ต้องการกระแสฉีดที่แรงเพียงพอ กล่าวคือ มีการผกผันของประชากรเพียงพอ ยิ่งระดับการผกผันของประชากรสูงเท่าใด ก็ยิ่งได้รับมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขเกณฑ์ปัจจุบันที่แน่นอน เมื่อเลเซอร์ไปถึงธรณีประตู แสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะสามารถสะท้อนเข้าไปในโพรงและถูกขยายออก และสุดท้ายจะก่อตัวเป็นเลเซอร์และส่งออกไปอย่างต่อเนื่อง จะเห็นได้ว่าในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การเปลี่ยนไดโพลของอิเล็กตรอนและรูเป็นกระบวนการพื้นฐานของการปล่อยแสงและการขยายแสง สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ใหม่ ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันว่าหลุมควอนตัมเป็นแรงผลักดันพื้นฐานสำหรับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ไม่ว่าสายควอนตัมและจุดควอนตัมสามารถใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ควอนตัมได้อย่างเต็มที่หรือไม่ก็ขยายออกไปในศตวรรษนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามใช้โครงสร้างที่จัดระเบียบตัวเองเพื่อสร้างจุดควอนตัมในวัสดุต่างๆ และมีการใช้จุดควอนตัม GaInN ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

ประวัติการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์
ดิเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ของต้นทศวรรษ 1960 เป็นเลเซอร์แบบโฮโมจังชัน ซึ่งเป็นไดโอดพีเอ็นจังก์ชันซึ่งประดิษฐ์ขึ้นจากวัสดุชนิดเดียว ภายใต้การฉีดกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ไปข้างหน้า อิเล็กตรอนจะถูกฉีดเข้าไปในบริเวณ p อย่างต่อเนื่อง และรูจะถูกฉีดเข้าไปในบริเวณ n อย่างต่อเนื่อง ดังนั้นการผกผันของการกระจายตัวพาจะเกิดขึ้นในพื้นที่พร่องของจุดเชื่อมต่อ pn ดั้งเดิม เนื่องจากความเร็วการย้ายถิ่นของอิเล็กตรอนเร็วกว่าความเร็วของรู การแผ่รังสีและการรวมตัวใหม่จึงเกิดขึ้นในบริเวณที่ทำงานอยู่ และการเรืองแสงก็ถูกปล่อยออกมา lasing ซึ่งเป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ทำงานเป็นพัลส์เท่านั้น ขั้นตอนที่สองของการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คือเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเฮเทอโรสเตรคเจอร์ ซึ่งประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชั้นบางๆ ที่มีช่องว่างแถบต่างกัน เช่น GaAs และ GaAlAs และเลเซอร์โครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างเดี่ยวปรากฏขึ้นครั้งแรก (1969) เลเซอร์ฉีดเฮเทอโรจังก์ชันเดี่ยว (SHLD) อยู่ภายในขอบเขต p ของทางแยก GaAsP-N เพื่อลดความหนาแน่นกระแสไฟที่เกณฑ์ ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญที่ต่ำกว่าเลเซอร์โฮโมจังก์ชัน แต่เลเซอร์ทางแยกเดี่ยวยังคงไม่สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องที่ อุณหภูมิห้อง.
นับตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1970 เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้พัฒนาขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในสองทิศทาง อย่างหนึ่งคือเลเซอร์ที่ใช้ข้อมูลเป็นหลักในการส่งข้อมูล และอีกอันเป็นเลเซอร์ที่ใช้พลังงานเพื่อเพิ่มกำลังแสง ขับเคลื่อนโดยการใช้งานต่างๆ เช่น เลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊ม เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง (สามารถเรียกได้ว่ากำลังขับต่อเนื่องมากกว่า 100mw และกำลังขับพัลส์มากกว่า 5W เรียกว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง)
ในปี 1990 มีการค้นพบครั้งสำคัญ ซึ่งเห็นได้จากการเพิ่มขึ้นอย่างมากในกำลังขับของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การจำหน่ายเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงในเชิงพาณิชย์ที่ระดับกิโลวัตต์ในต่างประเทศ และผลผลิตของอุปกรณ์ตัวอย่างในประเทศถึง 600W จากมุมมองของการขยายตัวของแถบเลเซอร์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อินฟราเรดตัวแรก ตามด้วยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สีแดง 670nm ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย จากนั้นด้วยความยาวคลื่น 650 นาโนเมตรและ 635 นาโนเมตรที่ถือกำเนิดขึ้น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สีน้ำเงิน-เขียว และแสงสีน้ำเงินก็ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จเช่นกัน เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สีม่วงและแม้กระทั่งอัลตราไวโอเลตที่มีลำดับ 10mW ก็กำลังได้รับการพัฒนาเช่นกัน เลเซอร์เปล่งพื้นผิวและเลเซอร์เปล่งพื้นผิวโพรงในแนวตั้งได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงปลายทศวรรษ 1990 และได้มีการพิจารณาถึงการใช้งานที่หลากหลายในออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบคู่ขนาน อุปกรณ์ 980nm, 850nm และ 780nm มีอยู่แล้วในระบบออปติคัล ในปัจจุบัน เลเซอร์เปล่งพื้นผิวโพรงแนวตั้งถูกใช้ในเครือข่ายกิกะบิตอีเทอร์เน็ตความเร็วสูง

การประยุกต์ใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์
เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นคลาสของเลเซอร์ที่เติบโตเร็วและก้าวหน้าเร็วขึ้น เนื่องจากช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง การผลิตที่เรียบง่าย ต้นทุนต่ำ และการผลิตจำนวนมากที่ง่ายดาย และเนื่องจากขนาดที่เล็ก น้ำหนักเบา และอายุการใช้งานยาวนาน พวกมันจึงมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในด้านพันธุ์และการใช้งาน หลากหลายพันธุ์ในปัจจุบันมีมากกว่า 300 สายพันธุ์

1. การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมและเทคโนโลยี
1) การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงเพียงแห่งเดียวที่ใช้งานได้จริงสำหรับระบบการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก และการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกได้กลายเป็นกระแสหลักของเทคโนโลยีการสื่อสารร่วมสมัย
2) การเข้าถึงดิสก์ มีการใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในหน่วยความจำออปติคัลดิสก์ และข้อดีที่สุดคือสามารถจัดเก็บข้อมูลเสียง ข้อความ และภาพจำนวนมากได้ การใช้เลเซอร์สีน้ำเงินและสีเขียวสามารถเพิ่มความหนาแน่นในการจัดเก็บของออปติคัลดิสก์ได้อย่างมาก
3) การวิเคราะห์สเปกตรัม มีการใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบปรับค่าอินฟราเรดฟาร์อินฟราเรดในการวิเคราะห์ก๊าซแวดล้อม การตรวจสอบมลพิษทางอากาศ ไอเสียรถยนต์ ฯลฯ สามารถใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อตรวจสอบกระบวนการสะสมไอ
4) การประมวลผลข้อมูลทางแสง มีการใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในระบบสารสนเทศทางแสง อาร์เรย์สองมิติของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งพื้นผิวเป็นแหล่งกำเนิดแสงในอุดมคติสำหรับระบบการประมวลผลออปติคอลคู่ขนาน ซึ่งจะใช้ในคอมพิวเตอร์และโครงข่ายประสาทเทียมแบบออปติคัล
5) เลเซอร์ไมโครแฟบริเคชั่น ด้วยความช่วยเหลือของพัลส์แสงสั้นพิเศษพลังงานสูงที่สร้างโดยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ Q-switched วงจรรวมสามารถตัดเจาะ ฯลฯ
6) สัญญาณเตือนด้วยเลเซอร์ สัญญาณเตือนด้วยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ใช้กันอย่างแพร่หลาย รวมถึงสัญญาณกันขโมย สัญญาณเตือนระดับน้ำ สัญญาณเตือนระยะห่างของยานพาหนะ ฯลฯ
7) เครื่องพิมพ์เลเซอร์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงถูกนำมาใช้ในเครื่องพิมพ์เลเซอร์ การใช้เลเซอร์สีน้ำเงินและสีเขียวสามารถปรับปรุงความเร็วและความละเอียดในการพิมพ์ได้อย่างมาก
8) เครื่องสแกนบาร์โค้ดเลเซอร์ เครื่องสแกนบาร์โค้ดเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการขายสินค้าและการจัดการหนังสือและจดหมายเหตุ
9) ปั๊มเลเซอร์โซลิดสเตต นี่คือการประยุกต์ใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงที่สำคัญ การใช้มันเพื่อแทนที่โคมไฟบรรยากาศดั้งเดิมสามารถสร้างระบบเลเซอร์โซลิดสเตตทั้งหมดได้
10) ทีวีเลเซอร์ความคมชัดสูง ในอนาคตอันใกล้ ทีวีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่มีหลอดรังสีแคโทดซึ่งใช้เลเซอร์สีแดง น้ำเงิน และเขียว คาดว่าจะใช้พลังงานน้อยกว่าทีวีที่มีอยู่ 20 เปอร์เซ็นต์

2. การประยุกต์ใช้ในการวิจัยทางการแพทย์และวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต
1) การทำศัลยกรรมด้วยเลเซอร์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้ถูกนำมาใช้สำหรับการระเหยของเนื้อเยื่ออ่อน การยึดติดของเนื้อเยื่อ การแข็งตัวของเลือด และการกลายเป็นไอ เทคนิคนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในศัลยกรรมทั่วไป ศัลยกรรมพลาสติก โรคผิวหนัง ระบบทางเดินปัสสาวะ สูติศาสตร์และนรีเวชวิทยา ฯลฯ
2) การบำบัดด้วยเลเซอร์แบบไดนามิก สารไวแสงที่มีความสัมพันธ์กับเนื้องอกจะถูกสะสมอย่างเลือกสรรในเนื้อเยื่อมะเร็ง และเนื้อเยื่อมะเร็งจะถูกฉายรังสีด้วยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างออกซิเจนชนิดปฏิกิริยา โดยมีเป้าหมายเพื่อทำให้เนื้อตายโดยไม่ทำลายเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดี
3) การวิจัยด้านวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต การใช้ "แหนบแสง" ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์, เป็นไปได้ที่จะจับเซลล์ที่มีชีวิตหรือโครโมโซมและเคลื่อนย้ายไปยังตำแหน่งใดก็ได้ มีการใช้เพื่อส่งเสริมการสังเคราะห์เซลล์และการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของเซลล์ และยังสามารถใช้เป็นเทคโนโลยีการวินิจฉัยสำหรับการรวบรวมหลักฐานทางนิติเวช