Nghiên cứu ứng dụng laser diode công suất cao để thiết kế, chế tạo các thiết bị điều trị và giải phẫu trong y tế - Chuyên đề

Sau thành công này trong một thời gian ngắn, người ta đã phát hiện ra hàng loạt chất khác có khả năng phát thành tia laser: hỗn hợp khí Heli và Neon laser He-Ne năm 1961, tinh thể bán dẫ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10

“NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG

TIN & TRUYỀN THÔNG”

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ:

TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO

ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO

ĐỂ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU TRỊ VÀ GIẢI

PHẪU TRONG Y TẾ

Mã số: KC.01.07/06-1

Cơ quan chủ trì đề tài: Trung tâm công nghệ Laser

MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ 1

I MỞ ĐẦU 1

II LASER VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1

II.1 CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC CƠ BẢN 2

II.2 CẤU TRÚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA LASER 5

III LASER DIODE 10

III.1 MỞ ĐẦU 10

III.2 CHẤT BÁN DẪN VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN 11

III.3 VÀI NÉT VỀ CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA LASER DIODE 16

III.4 ĐIỀU KIỆN VỀ NGHỊCH ĐẢO ĐỘ TÍCH LŨY TRONG LASER DIODE 20

III.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP KÍCH THÍCH CỦA LASER DIODE 22

III.6 ĐIỀU KIỆN PHÁT 24

III.7 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI LASER DIODE.25 IV TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ LASER BƯỚC SÓNG 800-900NM VỚI MÔ, TẾ BÀO VÀ ỨNG DỤNG CỦA LASER DIODE TRONG Y HỌC 37

IV.1 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ LASER DIODE BƯỚC SÓNG 800-900NM VỚI MÔ, TẾ BÀO 37

IV.2 ỨNG DỤNG CỦA LASER DIODE BƯỚC SÓNG 800 – 980NM TRONG Y TẾ 52

V KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Cấu trúc nguyên tử mô hình Bohr và .2

mô hình các mức năng lượng tương ứng 2

Hình 2 Các hiện tượng quang học cơ bản 3

a – hấp thụ; b – phát xạ tự do; c – phát xạ cưỡng bức .3

Hình 3 Cấu trúc điển hình của laser và tiến trình hình thành tia laser 4

Hình 4 Quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức 6photon điện tử ở mức kích thích 6

Hình 5 Góc mở chùm tia laser 7

Hình 6 Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng trong bán dẫn thuần 12

Hình 7 Mức năng lượng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong a) bán dẫn loại n; b) bán dẫn loại p 15

Hình 8 Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời thẳng 16

Hình 9 Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời xiên 17

Hình 10 18

Hình 11 18

Hình 12 19

Hình 13 19

Hình 14 20

Hình 15 Laser diode 26

Hình 16 Trạng thái điện tử của tinh thể bán dẫn 27

Hình 17 Năng lượng vùng cấm theo hằng số mạng 28

Hình 18 29

Hình 19 Phân loại laser diode 30

Hình 20 Phân loại Laser diode theo lớp hoạt tính 31

Hình 21 Sự phân bố năng lượng vùng cấm của laser diode 35

Hình 22 Cửa sổ điều trị trong mô, từ 600 đến 1100nm và phổ của một số chất hấp thu mạnh trong miền này [9] 42

Hình 23 Hệ số tắt dần của Hemoglobin [9] 43

Hình 24 Sự hấp thu của nước trong miền 700 đến 1100nm [9] 44

Hình 25 Các quá trình khác nhau xảy ra trong mô sinh học phụ thuộc vào các tham số của laser (mật độ công suất và thời gian chiếu xạ 46

Hình 26 Phụ thuộc của độ thẩm thấu tương đối của tia laser vào bước sóng 47

Hình 27 Khả năng thẩm thấu của tia laser CS thấp với bước sóng khác nhau qua bề mặt của da 1) lớp ngoài cùng; 2) lớp Malpighian; 3) Derma; 4) lớp dưới da 47 Hình 28 Đặc trưng thay đổi cường độ chùm laser theo chiều sâu trong mô sinh học 48 Hình 29 Tác dụng chùm laser trên mô 49 Hình 30 Quá trình thay đổi nhiệt độ của mô dưới tác dụng bức xạ liên tục của laser CO 2 (λ

= 10,6 µm) 51

TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO ỨNG

DỤNG TRONG Y TẾ

I MỞ ĐẦU

Ngay từ khi mới có những thiết bị Laser đầu tiên, ứng dụng trong y học

đã trở thành một trong những ngành phát triển mạnh Ngày nay, laser đã trở thành một vũ khí sắc bén được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các chuyên khoa, góp phần to lớn trong điều trị Các loại laser điều trị phổ biến hiện nay

là laser khí (CO2, He-Ne…), laser rắn (YAG-Nd, laser Rubi, laser KTP, laser excimer, laser diode…)

Trong vài năm gần đây laser diode bước sóng trong vùng hồng ngoại gần đang dần dần thay thế các loại laser truyền thống trong phẫu thuật như laser CO2, laser YAG-Nd do laser diode có kích thước nhỏ gọn, linh động, tuổi thọ cao và

có thể ghép nối với các thiết bị nội soi để ứng dụng trong phẫu thuật nội soi cũng như phẫu thuật đa năng khác

Cùng với sự phát triển của thế giới, y học Việt Nam cũng không ngừng phát triển và cập nhật những tiến bộ khoa học kỹ thuật hiện đại Hiện nay thiết bị laser công suất cao ứng dụng trong phẫu thuật đang bước đầu được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng trong nước ; trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu khái niệm chung về laser, laser diode công suất cao và những ứng dụng của nó trong y tế đã được công bố Đây cũng là cơ sở lý thuyết để nghiên cứu, thiết kế chế tạo và ứng dụng laser công suất cao tại nước nhà

II LASER VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

Năm 1917, nhà vật lý thiên tài Albert Einstein đã phát minh hiện tượng bức xạ cưỡng bức (Stimulated Emission of Radiation), trên cơ sở đó thuật ngữ

“LASER” chính thức được ra đời, đây là từ viết tắt các chữ cái đứng đầu của

mỗi từ có nghĩa của cụm từ tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated & Emission of Radiation – Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức) Năm

1954, nhà vật lý người Mỹ Townes và hai nhà vật lý Liên Xô là Prochorov và Basov đã phát minh ra nguyên lý cơ bản của máy laser dựa trên việc khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức; nhờ phát minh này ba nhà vật lý trên đã được tặng giải thưởng Nobel Vật lý 1964 Máy laser đầu tiên được chế tạo bởi nhà Vật lý người Mỹ Maiman vào năm 1960 trên cơ sở sử dụng oxyt nhôm (Al2O3) tinh khiết có pha ion crom gọi là laser hồng ngọc (Rubi) Sau thành công này trong một thời gian ngắn, người ta đã phát hiện ra hàng loạt chất khác

có khả năng phát thành tia laser: hỗn hợp khí Heli và Neon (laser He-Ne) năm

1961, tinh thể bán dẫn Gallium Arsenid (diode laser GaAs), tinh thể Yttrium Aluminium Garnet (laser YAG:Nd) năm 1964, các chất màu pha lỏng khác nhau (laser màu) năm 1966

II.1 CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC CƠ BẢN

Hiện tượng hấp thụ ánh sáng

Theo mô hình nguyên tử của Bohr (Đan Mạch) đề xuất năm 1943 (hình

1): mỗi nguyên tử bất kỳ có cấu hình bao gồm 1 hạt nhân có kích thước rất

nhỏ lấp đầy bởi các hạt proton, neuron và các điện tử quay quanh theo các quỹ đạo nhất định xung quanh hạt nhân (hình 1a)

Hình 1 Cấu trúc nguyên tử mô hình Bohr và

mô hình các mức năng lượng tương ứng

Mỗi quỹ đạo tương ứng với năng lượng khác nhau của điện tử, ở quỹ đạo trên điện tử có năng lượng lớn hơn ở quỹ đạo dưới Do vậy tương ứng với mô

hình của nguyên tử Bohr ta có thể biểu diễn dưới dạng sơ đồ các mức năng

lượng như hình 1b Mức năng lượng thấp nhất gọi là mức cơ bản, còn các

mức năng lượng ở trên mức cơ bản gọi là mức kích thích

Các nguyên tử khác nhau có số điện tử khác nhau và do vậy có số quỹ đạo khác nhau và tương ứng với nó là các mức năng lượng khác nhau Giả sử

ta có một hệ nguyên tử có 2 mức năng lượng như ở hình 1b và chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc, tức là chùm ánh sáng có các photon giống hệt nhau

và năng lượng của mỗi photon đúng bằng hiệu năng lượng của 2 mức tức là bằng E Khi photon đi vào môi trường, nó có thể bị các điện tử ở mức thấp E1

hấp thụ và nhờ có năng lượng của photon, điện tử này có thể nhảy lên mức

E2 Hiện tượng này là hiện tượng hấp thụ (hình 2a)

Hình 2 Các hiện tượng quang học cơ bản

tự do (hình 2b) thông thường các photon sinh ra do phát xạ tự do đi ra theo mọi hướng

Hiện tượng phát xạ cưỡng bức

Hình 3 Cấu trúc điển hình của laser và tiến trình hình thành tia laser

Cũng như hiện tượng hấp thụ ta chiếu vào môi trường có 2 mức năng lượng chùm sáng đơn sắc với năng lượng của từng photon bằng E Photon sẽ tương tác điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡng bức các điện tử, các điện

tử này rời bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó (hình 2c) Cùng

với sự dịch chuyển này sẽ phát ra photon cũng có năng lượng E và có tính chất khác giống hệt với photon đã cưỡng bức điện tử nhảy xuống mức thấp dễ sinh ra nổ như hướng truyền, độ phân cực Trong trường hợp này photon kích thích không bị mất mát như trong trường hợp hấp thụ, photon bố này vẫn tồn tại và duy trì hoàn toàn những tính năng của nó đến mức ta không thể

Buồng cộng hưởng với hoạt chất laser

Nguồn nuôi

Gương phản xạ

Gương phản xạ

E E

E

E

E E

Chùm tia

phân biệt đâu là photon bố, đâu là photon con sinh ra từ dịch chuyển cưỡng bức điện tử

Tóm lại phát xạ cưỡng bức là sự phát xạ các photon giống hệt nhau do sự dịch chuyển cưỡng bức của các điện tử dưới tác dụng của các photon Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuếch đại theo phản ứng dây chuyền: 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 3, 3 sinh ra 4 (hình 4)

II.2 CẤU TRÚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA LASER

II.2.1 Cấu trúc điển hình của laser

Có 3 hiện tượng quang học cơ bản xảy ra trong một môi trường bất kỳ khi chiếu một chùm sáng: hiện tượng hấp thụ làm suy yếu chùm sáng, phát xạ

tự do và phát xạ cưỡng bức làm cho chùm sáng mạnh lên

Môi trường ở trạng thái cân bằng thì số điện tử ở mức thấp (gọi là n1) bao giờ cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích (gọi là n2) Hiện tượng hấp thụ tỉ lệ với n1 còn phát xạ cưỡng bức và phát xạ tự do tỉ lệ với n2 với hệ số tỉ

lệ gần như nhau Vì thế cho nên hấp thụ bao giờ cũng mạnh hơn phát xạ cưỡng bức và phát xạ tự do, do vậy chùm ánh sáng đi qua môi trường bình thường bao giờ cũng suy yếu Để có hiệu ứng laser tức là chùm sáng được khuếch đại thì ta phải tạo ra môi trường đặc biệt mà ở đấy phát xạ cưỡng bức phải mạnh hơn hiện tượng hấp thụ Hiện tượng này chỉ xảy ra ở môi trường

mà các điện tử ở trên mức n2 phải lớn hơn số điện tử ở mức dưới n1 Môi trường như vậy gọi là môi trường đảo ngược độ tích luỹ (n2>n1) Gọi “đảo ngược” là vì môi trường bình thường thì độ tích luỹ của điện tử ở mức dưới nhiều hơn độ tích luỹ ở mức trên (n1>n2) Môi trường đặc biệt – môi trường

có sự đảo ngược độ tích luỹ, là yếu tố cơ bản của mọi laser Môi trường ấy được gọi là hoạt chất laser (laser active medium) hay ngắn gọn hơn là hoạt chất

Ngoài hoạt chất laser, mỗi laser bất kỳ còn phải có yếu tố khác là nguồn

ngược tích luỹ các điện tử ở môi trường laser và buồng cộng hưởng – yếu tố cho phép chùm sáng qua lại hoạt chất nhiều lần trước khi đạt trạng thái ổn

định và phát tia laser qua gương bán mở (hình 2.3) Buồng cộng hưởng này

có ý nghĩa ở chỗ nó chỉ cho phép ánh sáng có bước sóng thoả mãn điều kiện sau sẽ được khuếch đại:

mλ/2=L (điều kiện buồng cộng hưởng)

L: độ dài giữa 2 gương

m: số tự nhiên 1, 2, 3 n,

λ: bước sóng

Vì vậy ánh sáng mang tính đơn sắc

Hình 4 Quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức

photon điện tử ở mức kích thích

Tóm lại, laser là máy phát ánh sáng đơn sắc có cấu trúc điển hình gồm 3 thành phần: hoạt chất laser, nguồn nuôi và buồng cộng hưởng

II.2.2 Các tính chất của laser

Laser là một nguồn sáng nhưng đây là nguồn sáng đặc biệt, chính những tính chất đặc biệt ấy đảm bảo hiệu quả rất cao việc ứng dụng laser vào các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống Laser có 4 tính chất điển hình sau:

a Độ định hướng cao

Từ cấu trúc của laser cho thấy laser phát theo một hướng vuông góc với gương của buồng cộng hưởng Tia laser phát ra hầu như dưới dạng chùm sáng song song Tuy vậy do ảnh hưởng nhiễu xạ ở các biên chùm tia, tia laser phát

ra với một góc mở nhất định (hình 5)

Hình 5 Góc mở chùm tia laser

Từ lâu con người rất cần những nguồn sáng song song, trước hết dùng

để đo xa, liên lạc, soi đường như các đèn pha, đèn chiếu, phòng không Những thiết bị này có góc mở cỡ vài độ góc và chiếu xa khoảng 5-10km Còn đối với laser có góc mở có thể đạt giá trị rất nhỏ cỡ vài phút góc (1 phút góc = 1/60 độ góc), có trường hợp chỉ vài giây góc Vì vậy laser có thể chiếu đi rất

xa cỡ hàng nghìn cây số phục vụ đo xa, định vị, chiếu xa rất chính xác

Tính kết hợp của ánh sáng được hiểu là sự hoạt động nhịp nhàng của các photon trong chùm sáng ấy Độ nhịp nhàng càng cao thì tính kết hợp càng lớn

và trong trường hợp các photon hoạt động một cách hỗn loạn thì tính kết hợp bằng không Tia laser như chúng ta đã biết sinh ra trên cơ sở của hiện tượng phát xạ cưỡng bức, do vậy các photon của tia laser giống hệt nhau Tính giống hệt nhau đó đảm bảo cho sự hoạt động nhịp nhàng của tia laser như một đoàn quân đều bước trong một cuộc diễu binh Tính kết hợp của tia laser đảm bảo cho laser rất nhiều ứng dụng độc đáo: khả năng khoan lỗ cực nhỏ, cắt vết nhỏ và tinh và những đo đạc quan trọng khác trong ngành quang phổ

d Tính chất từ phát liên tục đến phát xung cực ngắn

Thời gian ban đầu thông thường người ta chế tạo các loại laser phát liên tục hoặc phát xung ở chế độ tự do với độ dài xung cỡ ms (1/1000 giây) Nhưng với tiến trình phát triển công nghệ cao trong lĩnh vực laser, người ta đã đạt được việc phát đồng bộ chế độ cho phép tập trung năng lượng tia laser trong thời gian xung rất ngắn chỉ cỡ vài nano giây (1 phần tỷ giây) hoặc pico giây (1 phần nghìn tỉ giây) Cho đến nay cũng chỉ có laser có khả năng phát với thời gian ngắn như vậy Những laser này có ứng dụng to lớn nhất là trong các ngành khoa học cơ bản, kể cả trong y tế

e Công suất phát laser

Công suất của laser rất thay đổi tuỳ thuộc vào từng loại cụ thể Có những loại laser phát xung (phát xung ngắt quãng) đạt công suất cỡ 1-100 triệu kW như laser thuỷ tinh Nd Những laser liên tục cũng có thể đạt công suất cỡ tối

đa 1000kW

Laser với công suất như vậy thường dùng làm vũ khí tiêu diệt mục tiêu đối phương cách xa hàng nghìn cây số Trong y học thường sử dụng laser Excimer, laser YAG:Nd phát xung với công suất 10.000kW đến 10 triệu kW, laser CO2, laser Argon phát liên tục từ 1 - 100W và trong vật lý trị liệu thông

thường sử dụng laser He-Ne và laser bán dẫn có công suất trung bình từ 0,1 – 10mW

Bảng 1 Các thông số vật lý của laser

Bước sóng

1µm=1/1000m 1nm=1/1000µm1Ǻ=1/10nm

λ=c/γ c: tốc độ ánh sáng c= 300.000 km/s Công suất laser P

W 1kW=1000W

P=E/t E: năng lượng của laser t: thời gian phát laser

Tóm lại, laser là nguồn ánh sáng đơn sắc nhân tạo với những tính chất độc đáo và phong phú về chất và lượng Chính vì vậy laser đã được ứng dụng

vô cùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực hoạt động của xã hội Để ứng dụng laser trong y tế, chúng ta cần quan tâm đến các thông số trong bảng 1

III LASER DIODE

III.1 MỞ ĐẦU

Bức xạ laser có được là nhờ năng lượng bơm thông qua hoạt chất đặt trong buồng cộng hưởng Thông thường, năng lượng này phải đi qua một chuỗi biến đổi mới chuyển thành dạng bức xạ cưỡng bức Ví dụ, ở các laser được kích thích điện, điện năng trước hết được chuyển sang động năng của các hạt tích điện trong trường phóng xạ, rồi các nguyên tử hoạt chất trong sự phóng điện được kích thích để bức xạ Bức xạ không kết hợp này sẽ qua một loạt quá trình trong buồng cộng hưởng mới đạt được khuếch đại và thành bức

xạ laser Với các laser được kích thích quang, quá trình diễn ra cũng phức tạp như vậy Tuy nhiên, với laser diode, lại có sự chuyển trực tiếp điện năng sang năng lượng bức xạ kết hợp Sự chuyển hoá này xảy ra trong các laser diode dạng phun Ở đây sự kích thích là kết quả trực tiếp của công tạo nên bởi điện trường đặt trên hạt tải điện trong vật chất Quá trình phun hạt tải điện là quá trình rất hữu hiệu đối với sự chuyển năng lượng điện sang năng lượng bức xạ cưỡng bức Tất nhiên, đây không phải là quá trình kích thích duy nhất trong diode vì thực tế các laser diode có thể tạo nên nhờ kích thích quang, nhờ bắn phá chùm điện tử cũng như nhờ sự đánh thủng thác lũ (avalanche breakdown)

So với các laser rắn, laser diode khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở dạng hình học của chúng, đặc biệt laser diode có thể chiếm một thể tích rất nhỏ Ví

dụ, kích thước của một laser diode lớn cỡ 1µm Cần chú ý rằng tính chất vật

lý của bán dẫn cũng biến đổi theo sự thay đổi của các tham số bên ngoài tác động như áp suất, nhiệt độ và điểm này là sự khác biệt nổi bật nữa so với các laser tinh thể hay thuỷ tinh Chính do có các khác biệt nêu ở trên mà sự phân tích chế độ hoạt động, điều kiện phát, các đặc trưng mode ở laser diode khác hẳn với ở laser rắn hay khí làm việc theo các mức năng lượng Quá trình

trao đổi năng lượng khác nhau và đặc thù trong chất bán dẫn đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và có thể thấy rằng nhiều công trình lý thuyết

về laser diode đã ra đời trước khi xuất hiện laser diode trong phòng thí nghiệm Để có thể hiểu được sự hoạt động của laser diode, trước hết cần biết một số đặc trưng và cấu trúc của laser diode

III.2 CHẤT BÁN DẪN VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN

III.2.1 Chất bán dẫn thuần

Ở nhiệt độ thấp trong tinh thể bán dẫn thuần hoàn toàn trống các điện tử, hầu hết các điện tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn là chất không dẫn điện Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên một số điện tử được kích thích bởi năng lượng nhiệt và nếu năng lượng đủ lớn để vượt qua được vùng cấm chúng sẽ chiếm một số mức năng lượng trong vùng dẫn Các điện tử sau khi dịch chuyển lên vùng dẫn đồng thời cũng để lại các lỗ trống tương ứng trong vùng hóa trị Quá trình trên tạo ra điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị tức là tạo ra các hạt dẫn trong mạng tinh thể chất bán dẫn, chúng tạo ra khả năng dẫn điện của bán dẫn

Nồng độ của điện tử trong bán dẫn theo năng lượng được phân bố theo xác suất Fermi-Dirac:

)exp(

1

1)

(

KT

E E E

F

f

−+

=

(1)

Trong đó:

F(E) là xác xuất tìm thấy điện tử tại mức năng lượng E

Ef là mức năng lượng tương ứng khi F(Ef) = 0.5 hay còn gọi là năng lượng Fermi

Như vậy theo biểu thức (1) khi tăng nhiệt độ T thì xác xuất phân bố điện tử trong vùng dẫn tăng lên, tức là luôn xuất hiện điện tử trong vùng dẫn Ngược

lại khi nhiệt độ giảm tới không thì xác suất xuất hiện điện tử trong vùng dẫn hầu như bằng không

Hình 6 Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng

n ( ) ( ) (2)

Do nồng độ điện tử trong vùng dẫn tập trung chủ yếu gần mức năng lượng

Ec và hầu như không tồn tại ở các mức năng lượng cao, nên ta có thể tính toán xấp xỉ:

2 2

với ( )

2

2 / 3

2 2

h

KT m

=

mp là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống

Các điện tử trong vùng hoá trị được kích thích bởi nhiệt độ sẽ dịch chuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống tương ứng trong vùng hoá trị Do đó trong chất bán dẫn thuần nồng độ điện tử trong vùng dẫn n phải bằng nồng độ lỗ trống trong vùng hoá trị

=

c

v g

N

N KT E

N

KT

E E N

KT

E E N

n p n

v c v

c

v v

c c

i

2exp

exp

exp

2 / 1

m h

KT

2exp

2

2

2 / 3

π

(7) Tóm lại, trong chất bán dẫn, nếu giữ nhiệt độ không đổi cả đối với bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp và không phụ thuộc vào Ef nhưng lại phụ thuộc vào

độ rộng vùng cấm của bán dẫn

III.2.2 Bán dẫn pha tạp

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, người ta pha một lượng nhỏ các nguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn Có hai loại bán dẫn pha tạp là:

Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm) có tạp chất là các nguyên tố thuôc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính

Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho điện tử dễ dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn

Tương tự như thế, trong bán dẫn p mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng góp một lỗ trống trong vùng hoá trị Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại n là Nd và loại p là Na xác định mức năng lượng Fermi của bán dẫn theo biểu thức:

fn c

KT

E E N

n= =exp⎜⎜⎝⎛ − ⎟⎟⎠⎞ (8)

c

d c

N KT E

E = + ln (9)

N

N KT E

Hình 7 Mức năng lượng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong

Phân bố tập trung hạt dẫn Năng lượng

Năng lượng

E c

Vùng dẫn

III.3 VÀI NÉT VỀ CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA LASER DIODE

Theo lý thuyết vùng của bán dẫn, năng lượng của điện tử là một hàm của xung lượng p hay của vectơ sóng tương ứng κ =ρ h

, 2π

h

= h

với h là hằng số Plank) Hàm năng lượng E có dạng các parabol (hình 8)

Đường parabol trên ứng với năng lượng điện tử ở vùng dẫn, đường parabol dưới tương ứng với năng lượng lỗ trống ở vùng hoá trị Tuỳ theo chất bán dẫn

mà đỉnh của các parabol sẽ nằm thẳng góc hay xiên góc

Khi cực tiểu của parabol 1 và cực đại của parabol 2 nằm trên cùng đường thẳng ta có loại bán dẫn chuyển dời thẳng, ví dụ GaAs là bán dẫn chuyển dời thẳng

Khi các điểm nêu ở trên không nằm trên một đường thẳng ta có loại bán dẫn chuyển dời xiên ví dụ GaP, SiGe là bán dẫn chuyển dời xiên (hình 9) Khoảng cách giữa 2 điểm cực tiểu, cực đại nói trên xác định độ rộng vùng cấm Bình thường điện tử nằm ở vùng hoá trị và nó chỉ có thể chuyển sang vùng dẫn nhờ tiếp thu năng lượng bên ngoài

Hình 8 Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời thẳng

Hình 9 Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời xiên

III.3.2 Sự hấp thụ và bức xạ trong bán dẫn

Khi có tác dụng của bức xạ bên ngoài, điện tử nằm ở vùng hoá trị sẽ hấp thu năng lượng và chuyển sang vùng dẫn khi năng lượng hấp thu lớn hơn năng lượng của vùng cấm, lúc này trong vùng hoá trị sẽ xuất hiện lỗ trống và tạo nên sự di chuyển mức Fermi (hình 10)

Khi ở vùng dẫn có điện tử và ở vùng hoá trị có lỗ trống thì khi điện tử trở

về vùng hoá trị nó sẽ tái hợp với lỗ trống và cho bức xạ cưỡng bức, đây là sự bức xạ tái hợp

Trong bức xạ tái hợp được phân biệt 2 loại tuỳ theo chất bán dẫn chuyển dời thẳng hay chuyển dời xiên

− Trong bán dẫn chuyển dời thẳng, bức xạ tái hợp luôn có sự bảo toàn năng lượng và xung lượng (hay vectơ sóng) Với bức xạ một photon xác suất tái hợp rất lớn Những bán dẫn sau cho bức xạ chuyển dời thẳng: GaAs, InP, GaSb, InAs, InSb, Ga (Asx, P1-x), InxGa1-xAs, Te, CdS, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe

− Trong bán dẫn chuyển dời xiên (hình 2.11) Bức xạ tái hợp xảy ra hoặc do (i) bức xạ hai photon hoặc (ii) do bức xạ một photon và kéo theo bức

xạ hay hấp thụ một phônon Trường hợp sau xảy ra do khi tái hợp điện tử với

lỗ trống không thể phát ra một photon với năng lượng (Ec-Ev) vì vectơ sóng

của nó rất nhỏ so với hiệu các vectơ sóng ở trạng thái đầu

và cuối của điện tử Như vậy theo định luật bảo toàn xung năng lượng trong dịch chuyển này phải kéo theo sự bức xạ hay hấp thụ phonon đặc trưng bởi vectơ sóng lớn nhưng có năng lượng nhỏ Nhìn chung xác suất của quá trình bức xạ này lớn hơn nhiều xác suất của quá trình bức xạ hai photon

Hình 10

Hình 11

III.3.3 Sự biến đổi năng lượng ở lớp tiếp xúc p-n

Khi có hai chất bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, chúng ta sẽ tạo được một lớp tiếp xúc p-n và trong đó có sự cân bằng mức Fermi (hình 12) Nói chung khi mức Fermi dịch chuyển vào vùng hoá trị hay vùng dẫn chất

bán dẫn được gọi là suy biến Theo lý thuyết bán dẫn, xác suất mà một trong trạng thái trong vùng dẫn được chiếm, theo thống kê Fermi - Dirac sẽ là:

kT

F E l

ở đây Fc là mức Fermi đối với điện tử ở vùng dẫn, E năng lượng của điện

tử trong trạng thái đã cho, T nhiệt độ tuyệt đối Tương tự biểu thức xác suất

mà một trạng thái trong vùng hoá trị được chiếm sẽ là:

kT

F E

f

v

v = + −

exp1

1

(13) với Fv mức Fermi đối với lỗ trống ở vùng hoá trị

Hình 12

Nếu ta đặt lớp tiếp xúc p-n theo chiều thuận trong điện trường với một điện thế V nào đó thì các điện tử sẽ được đẩy từ vùng n sang vùng p và ngược lại lỗ trống từ vùng p sang vùng n và sẽ tạo ra được lỗ trống và điện tử ở chung một vùng, chúng sẽ tái hợp để cho bức xạ Cấu trúc vùng năng lượng ở lớp tiếp xúc p-n sẽ biến đổi (hình 13) Sự bảo toàn năng lượng cho hệ thức eV=Fc-Fv Trong trường hợp này các mức Fermi không nằm trong sự cân bằng mà chúng tách ra nằm ở mỗi vùng, chúng sẽ được gọi là mức chuẩn Fermi

III.4 ĐIỀU KIỆN VỀ NGHỊCH ĐẢO ĐỘ TÍCH LŨY TRONG LASER DIODE

Khi chất bán dẫn có lẫn tạp chất, ngoài các vùng năng lượng còn xuất hiện các mức năng lượng tạp chất nằm trong vùng cấm Mức tạp chất ở gần đáy vùng dẫn được gọi là mức donor còn mức tạp chất ở gần đỉnh vùng hoá trị được gọi là mức acceptor (hình 14)

Để có sự nghịch đảo độ tích luỹ cần tạo ra nồng độ không cân bằng của các điện tử và lỗ trống, nói cách khác các dịch chuyển điện tử từ vùng dẫn xuống vùng hoá trị phải lớn hơn các dịch chuyển điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn nghĩa là quá trình bức xạ lớn hơn quá trình hấp thụ Chúng ta hãy thành lập các biểu thức về các quá trình dịch chuyển trên

Quá trình dịch chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hoá trị phải tỉ lệ với xác suất có trạng thái với năng lượng E2 ở vùng dẫn bị chiếm, xác suất có trạng thái với năng lượng E1 ở vùng hoá trị để trống fc(E2)[1-fv(E1)], tỉ lệ với hệ số Einstein về bức xạ cưỡng bức B21 và mật độ năng lượng bức xạ pv nghĩa là tỉ

lệ với đại lượng

fc(E2)[1-fv(E1)] > fv(E1)[1-fc(E2)] (17)

Thay các biểu thức fc, fv ở (12) và (13) vào (17) với các giá trị năng lượng E bằng E2 và E1 tương ứng ta có

fc(E2) > fv(E1) (18) hay

( ) ( )

kT F E kT F

E v c

e

e1− 〉 2− (18a) Bất đẳng thức 18a thoả mãn khi

Fc - Fv > E2 - E1 (19) Điều kiện (19) là điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ khi có chuyển dịch giữa các vùng

Điều kiện (19) ít nhiều biến đổi tuỳ theo chất bán dẫn Với chất bán dẫn chuyển dời thẳng E2-E1=∆ (độ rộng vùng cấm), (19) trở thành

Fc - Fv > ∆ (20) Với chất bán dẫn chuyển dời xiên do có sự tham gia của phonon nên

E2 - E1 = ∆ ± δ (21) Với δ =hω φ là năng lượng của phonon điều kiện (2-19) trở thành

Fc - Fv > ∆ ± δ (22)

Do các mức tạp chất thường ở gần các vùng nên luôn xảy ra sự tích thoát nhanh các điện tử và lỗ trống (gọi chung là các hạt tải) giữa các mức và các vùng Chính do đó mà sự lấp đầy các mức tạp chất cũng sẽ được xác định bởi các mức chuẩn Fermi của các hạt tải ở trong các vùng tương ứng Điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ có dạng đơn giản như (23)

Fc - Fv > ∆ - E1 (23)

ở đây E1 - năng lượng liên kết của hạt tải trên các mức tạp chất

Trường hợp này hoàn toàn giống như sự dịch chuyển giữa các mức trong các hoạt chất laser khí hay rắn và điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ

III.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP KÍCH THÍCH CỦA LASER DIODE

Các phương pháp kích thích:

- Phương pháp kích thích bằng điện trường: Khi đặt một điện trường

mạnh vào chất bán dẫn, điện trường sẽ tạo nên các điện tử và lỗ trống không cân bằng trong vùng dẫn cũng như vùng hoá trị do sự đẩy trực tiếp các điện

tử, nhờ điện trường, từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống (hiệu ứng Zinner) Phương pháp này chỉ thuận tiện đối với các chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm hẹp, có độ linh động lớn và khối lượng hiệu dụng của các hạt tải nhỏ như ở GaAs, InSb

- Phương pháp kích thích quang: Phương pháp này khá phổ biến với các

chất bán dẫn có khả năng phát quang Sự nghịch đảo độ tích luỹ thu được nhờ các dịch chuyển gián tiếp và do đó, đồng thời với bức xạ photon còn có bức

xạ phonon Xác suất của quá trình nói chung là nhỏ Theo phương pháp này, vai trò quyết định là khả năng hấp thụ photon kích thích của các hạt tải tự do trong bán dẫn Khi sử dụng các nguồn sáng thông thường để kích thích, do các nguồn sáng này có phổ năng lượng rộng, sự hấp thụ các photon sóng ngắn

sẽ dẫn tới sự mất mát năng lượng lớn do sự tích thoát của các hạt tải trên các mức thấp, còn sự hấp thụ photon sóng dài không dẫn đến sự kích thích và hiệu suất sẽ thấp Ngoài ra với ánh sáng kích thích vùng rộng còn gặp phải sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt biên và cũng làm giảm hệ số hiệu dụng Trong thực tiễn, để tránh thiếu sót nói trên người ta sử dụng chính nguồn laser để kích laser diode và như thế đã chuyển bức xạ laser từ vùng bước sóng ngắn (bức xạ laser thuỷ tinh) sang vùng bước sóng dài hơn (bức xạ laser diode)

- Phương pháp dùng chùm điện tử để kích thích: Phương pháp này áp

dụng cho các bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng, tức có được các bức xạ rất ngắn Người ta phải dùng chùm điện tử có năng lượng lớn và như thế sẽ dễ tạo nên các khuyết tật trong bán dẫn và làm tăng các dịch chuyển không bức

xạ Đó cũng là nhược điểm của phương pháp này

- Phương pháp phun các hạt tải không cân bằng qua lớp tiếp xúc p-n:

Phương pháp này nhờ đặt một điện trường bên ngoài lên bán dẫn và tạo được dòng dịch chuyển p-n theo chiều thuận Khác với phương pháp kích thích dùng chùm điện tử, phương pháp này không đòi hỏi điện trường cao và có thể làm việc ở chế độ liên tục Hiệu suất của phương pháp này có thể đạt tới gần bằng đơn vị Nội dung của phương pháp có thể hiểu như sau: khi hai chất bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, ở lớp tiếp xúc sẽ có một hiệu thế tiếp xúc, tương ứng với hiệu các mức Fermi của phần p và n Hiệu thế này ngăn

nhiên, nếu hiệu điện thế đặt theo phương pháp thuận, thế chặn bị giảm vì sự

có mặt của các điện tích không gian và do đó dễ dàng hơn sự dịch chuyển của các điện tử và lỗ trống qua lớp tiếp xúc này và tạo được sự nghịch đảo độ tích luỹ

Trên cơ sở có được nghịch đảo độ tích luỹ, laser diode có thể hoạt động Nguyên lý hoạt động chung của laser diode được trình bày trong phần III.7

III.6 ĐIỀU KIỆN PHÁT

Như đã trình bày ở trên các điều kiện về nghịch đảo độ tích luỹ [các công thức (21) đến (23)] chỉ là điều kiện cần nhưng chưa đủ Bức xạ cảm ứng tái hợp cần được khuếch đại trong buồng cộng hưởng laser và làm sao có được

hệ số khuếch đại phải lớn hơn hệ số mất mát Ta phải có điều kiện

γ =α0 +∑ αi

(25) Với α0 mất mát do hấp thụ, ∑

i i

α

mất mát do nhiễu xạ, phản xạ, tán xạ trên các khuyết tật của bán dẫn Khi K= γ ta có điều kiện ngưỡng phát:

Tuỳ theo sự dịch chuyển tái hợp xảy ra giữa các vùng hay mức tạp chất mà có thể xác định biểu thức cụ thể của K

- Với sự dịch chuyển giữa hai mức tạp chất: hệ số khuếch đại được xác định tương tự như đối với laser hoạt động theo mức năng lượng

- Với sự dịch chuyển giữa hai vùng năng lượng: hệ số khuếch đại K phải tỉ

lệ với hệ số dịch chuyển hay xác suất dịch chuyển cưỡng bức ở dịch

chuyển giữa các vùng có hiệu năng lượng nằm trong khoảng E + dE theo tính toán của G.Lasher and F.Stern K sẽ được xác định từ biểu thức sau:

E

f f M E cn m

e dE

2 2

x M M M

(27) Với

M i e x v dx

ikr e

x =− ∫ψ * ∂∂ψ

h

(27a)

và tương tự cho các biểu thức My, Mz Các đại lượng trong ngoặc ở (26)

là những đại lượng quen biết; Ψc, Ψv các hàm trạng thái ở vùng dẫn và vùng hoá trị

III.7 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI LASER DIODE

Hoạt động của laser dựa trên 2 điều kiện, phát xạ cưỡng bức của môi trường khuếch đại và sự phản hồi bởi buồng cộng hưởng (BCH) quang học Ngưỡng phát laser đạt được nếu độ khuếch đại trong BCH bù trừ được sự tổn hao trong BCH (gồm sự tổn hao lan truyền bức xạ và sự tổn hao do sự phát bức xạ ra trong chùm tia laser) Cả 2 điều kiện phát laser chung đó đều thoả mãn trong laser diode nhưng theo cách khác với laser rắn hay laser khí điển hình BCH của laser diode thường được tạo thành bởi chính cấu trúc bán dẫn nhờ sử dụng các mặt đầu của tinh thể làm gương của BCH Độ khuếch đại trong laser diode bao hàm toàn bộ cấu trúc tinh thể chứ không chỉ ở từng nguyên tử, ion hay phân tử riêng rẽ Các laser diode hiện đại giới hạn thể tích

lượng tử Về mặt kỹ thuật, điều này đạt đươc bằng cách nuôi những lớp rất mỏng tạo thành từ các thành phần tinh thể khác nhau Một sơ đồ laser diode được trình bày trên hình 15

Hình 15 Laser diode

Các trạng thái điện tử của tinh thể tạo thành các vùng năng lượng (hình 16) Ở nhiệt độ 0K, nguyên lý Pauli dẫn tới các vùng được điền đầy tới một mức nhất định - gọi là mức năng lượng Fermi Ở nhiệt độ hữu hạn, trạng thái năng lượng được mô tả bởi hàm Fermi Trong tinh thể bán dẫn, mức Fermi luôn luôn nằm giữa vùng hoá trị và vùng dẫn Khoảng trống nhỏ nhất giữa 2 vùng năng lượng đó được gọi là vùng cấm Các bán dẫn thuần (không có tạp

và xô lệch mạng) thì không có trạng thái khả dĩ nào trong vùng cấm Trong quang điện tử, thông thường sử dụng các bán dẫn chuyển dời thẳng, trong đó cực tiểu năng lượng của vùng dẫn và cực đại năng lượng của vùng hoá trị là tại điểm Γ, tức là tại tâm của vùng Brillouin

Hình 16 Trạng thái điện tử của tinh thể bán dẫn

Nếu một điện tử được đưa lên vùng dẫn, chẳng hạn do hấp thụ một photon, thì sẽ để lại một lỗ trống trong vùng hoá trị Độ khuếch đại quang học trong laser diode được tạo ra nhờ sự tái hợp có bức xạ của cặp điện tử - lỗ trống đó Bán dẫn chuyển dời thẳng cho phép phát xạ một photon trong một quá trình cơ lượng tử bậc nhất Đa số các bán dẫn hợp chất III/IV có vùng cấm trực tiếp, các bán dẫn như Si và germani có cấu trúc vùng không trực tiếp

và vì thế không thích hợp để làm các linh kiện quang điện tử phát bức xạ Năng lượng của photon được phát tương ứng với hiệu giữa hai mức năng lượng Bước sóng của laser diode được xác định bởi kích thước của vùng cấm

và đến lượt nó độ rộng vùng cấm được xác định bởi thành phần và cấu trúc của tinh thể Các laser diode công suất cao phát xạ trong vùng 0,7 – 1,0 µm điển hình là được thực hiện trên tinh thể GaAs và các hợp chất phù hợp mạng với GaAs Hình 17 thể hiện năng lượng vùng cấm theo hằng số mạng

Hình 17 Năng lượng vùng cấm theo hằng số mạng

Giống như laser khí và laser rắn, laser diode có thể được kích thích bởi photon có năng lượng đủ lớn hoặc bởi chùm tia điện tử Tuy nhiên, việc bơm laser diode bằng dòng điện mang đến những ưu điểm quan trọng cho loại thiết

bị này so với các công nghệ khác Laser diode có được tính dẫn của bán dẫn bằng cách pha tạp, tức là bằng cách đưa vào trong bán dẫn các nguyên tử tạp

có số điện tử ở lớp vỏ nhiều hơn hoặc ít hơn Các nguyên tử này tạo ra các trạng thái cơ lượng tử mới trong vùng cấm Nếu các trạng thái mới gần với biên của vùng hoá trị, các điện tử sẽ chiếm các trạng thái này, để lại các lỗ trống trong vùng hoá trị Trường hợp này gọi là pha tạp loại p, do rằng các hạt tải điện dương được tạo ra trong vùng hoá trị mà có thể dẫn dòng điện Trái lại, nếu các trạng thái mới gần với vùng dẫn, các điện tử sẽ được kích thích bởi nhiệt tới vùng dẫn Đây là trường hợp pha tạp loại n bởi vì các điện tử mang điện tích âm sẽ tạo thành dòng điện nếu đặt một điện áp Một laser diode, tương tự như một diode thông thường, luôn luôn bao gồm một phần bán dẫn loại p và một phần loại n (hình 18) Khi một điện thế dương được đặt vào vùng p, các lỗ trống sẽ dịch chuyển tới vùng n Một điện thế âm trên vùng

n sẽ lái các điện tử tới vùng p Độ khuếch đại quang học được tạo nên trong tiếp giáp p-n Tại lớp tiếp giáp một điện tử sẽ tái hợp với một lỗ trống, tạo nên

một photon, tức là năng lượng sẽ được biến đổi thành ánh sáng Để đạt được một dòng điện nhất định, hiệu điện thế ít nhất phải lớn hơn một chút hiệu điện thế tạo bởi vùng cấm Nếu mức tiêm là đủ lớn – mật độ hạt tải tiêu biểu là

1018 – 1019 cm-3, số photon phát ra sẽ vượt số mất mát

Hình 18

Các laser diode đầu tiên được chế tạo khoảng những năm 1960 là các thiết bị sử dụng bán dẫn GaAs với lớp tiếp giáp đồng thể (homojunction) đơn giản Độ dày của vùng hoạt tính được xác định bởi chiều dài khuếch tán, tiêu biểu là 2µm Việc chế tạo laser diode bắt đầu với một đế bán dẫn (thường là GaAs hoặc InP) có mức tạp được kiểm soát Các lớp bổ sung có thể được tạo nên bằng cách khuếch tán các tạp khác nhau và những vùng được chọn của bề mặt đế Chẳng hạn, nếu đế là bán dẫn loại n, các accepter điện tử có thể được

bổ sung với số lượng đủ để áp đảo các donor điện tử và tạo ra bán dẫn loại p, hình thành nên một lớp tiếp giáp tại biên của lớp khuếch tán và đế Tiêu biểu hơn, các lớp được hình thành bởi sự nuôi epitaxy một vật liệu mới trên mặt của đế (mà bản thân nó được khắc ở các vùng đã chọn để điều khiển cấu hình của các lớp bổ sung) Các kỹ thuật epitaxy khác nhau cho phép phủ các lớp cực mỏng một cách chính xác, mỗi lớp có thành phần phân biệt Tổ hợp của

Dải dẫn

vùng hóa trị

Vùng n Vùng p

Vùng n Vùng p

Không có điện thế bên trong

Không có dòng dịch chuyển tại lớp tiếp giáp pn Điện thế bên trong tạo ra dòng

dịch chuyển tại lớp tiếp giáp pn

A: mức Acceptor D: Mức Donator Vùng không có dịch chuyển

nhiều lớp và đế cho phép điều khiển dòng, dẫn ánh sáng và tạo nên sự phát laser

Có nhiều loại laser diode đã được chế tạo, và cũng có nhiều cách phân loại laser diode Một sự phân loại laser diode thường dùng được mô tả trên hình 19 Theo thành phần của các lớp bên cạnh lớp hoạt tính, người ta chia thành 3 loại laser diode (hình 20):

Hình 19 Phân loại laser diode

• Laser diode đồng thể (homojuntion diode laser): Các laser này được làm hoàn toàn từ một hợp chất bán dẫn đơn, tiêu biểu là GaAs, với các phần khác nhau của laser được pha tạp khác nhau Lớp tiếp giáp là tiếp xúc giữa các vùng p và n của cùng một loại vật liệu Cấu trúc này được sử dụng trong những laser diode đầu tiên, nó tạo ra sự giam giữ ánh sáng theo chiều đứng không lớn Điều đó làm cho nó hiệu quả thấp và chỉ có thể hoạt động ở chế độ xung và cần làm lạnh, ngày nay loại laser này không còn được sử dụng

• Laser dị thể đơn (single-heterojunction laser): Trong các laser này một vật liệu có vùng cấm khác được bố trí sát một phía của lớp hoạt tính Điều đó có nghĩa là lớp hoạt tính bị kẹp giữa 2 lớp có thành phần khác nhau, tiêu biểu là GaAs và GaAlAs, có các vùng cấm khác nhau Hiệu chiết suất giữa GaAlAs

và GaAs giúp giam nhốt ánh sáng trong lớp hoạt tính về phía GaAlAs làm cho laser dị thể đơn hoạt động tốt hơn nhiều laser cấu trúc đồng thể Laser cấu trúc dị thể đơn có thể phát xung với công suất cao ở nhiệt độ phòng Tuy nhiên chúng không thể hoạt động liên tục hoặc với tần số lặp lại cao Hiện nay chúng vẫn còn được chế tạo cho một số ứng dụng quân sự nhưng ít được

sử dụng trong các ứng dụng khác

• Laser dị thể kép (double-heterojunction laser): trong các laser này lớp hoạt tính được xen kẽ giữa 2 lớp vật liệu khác nhau, chẳng hạn GaAs giữa 2 lớp GaAlAs Cấu trúc này giam giữ ánh sáng laser cả phía trên và phía dưới lớp hoạt tính làm cho cấu trúc dị thể kép hiệu quả hơn nhiều loại dị thể đơn Laser diode cấu trúc dị thể kép là loại đầu tiên có khả năng hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng và nó trở thành loại laser thông dụng trong đa số các ứng dụng

Hình 20 Phân loại Laser diode theo lớp hoạt tính

Nhiều nhóm và phân nhóm laser dị thể kép đã được phát triển Sự phân chia rộng rãi nhất là theo độ rộng của vùng phát của lớp hoạt tính Các laser

dị thể kép ban đầu có vùng hoạt tính rộng 50µm hoặc hơn Ngày nay, laser

Lớp tiếp giáp dị thể GaAs (Lớp hoạt tính)

diode được dùng rộng rãi nhất là loại có dạng hình học dải (stripe-geometry), trong đó vùng hoạt tính của rộng 1 – 10µm

Laser dạng dải có nhiều ưu điểm quan trọng đối với nhiều ứng dụng Bởi

vì nó tập trung dòng nuôi trong một diện tích nhỏ, dòng ngưỡng được hạ thấp hơn so với laser dải rộng Dải hẹp cũng cải thiện chất lượng chùm tia do hạn chế sự phát xạ vào một mode ngang và thường đơn mode dọc Các chùm chất lượng cao hơn đó có thể được hội tụ dễ dàng thành một vết nhỏ, đây là điều quan trọng trong nhiều ứng dụng chẳng hạn như đọc đĩa CD hay trong máy in laser Dải hẹp có diện tích phát xạ nhỏ làm cho nó dễ dàng hơn để ghép nối đầu ra với sợi quang

BCH quang học của laser diode bao gồm một cấu trúc dẫn sóng giữa 2 gương được hình thành bởi các mặt tinh thể Các mặt này được phủ để đạt được độ phản xạ tối ưu Theo chiều đứng, vuông góc với tiếp giáp p-n, sự phân bố cường độ mode và số mode được xác định bởi độ dày và thành phần của các lớp được nuôi Dẫn sóng được hỗ trợ đối với các mode theo hai trạng thái phân cực, một gần như sóng điện ngang (TE) và một gần như sóng từ ngang (TM) Đối với trường hợp TE, vector điện trường dao động song song với các lớp epitaxy; đối với trường hợp TM thì là vector từ ngang Hai cấu trúc dẫn sóng cơ bản là cấu trúc dẫn sóng thẳng đứng và cấu trúc dẫn sóng ngang

Hoạt động laser có thể được giới hạn trong một dải hẹp theo 2 cách cơ bản khác nhau: Hạn chế sự chảy dòng vào một phần nhỏ của lớp hoạt tính được gọi là dẫn theo khuếch đại (gain guiding); Giam ánh sáng bởi sự thay đổi chiết suất tương tự như được tạo ra trong cấu trúc dị thể được gọi là dẫn theo chiết suất (index guiding) Trong laser dạng dải dẫn theo khuếch đại Sự hình thành các vật liệu điện trở suất cao trên bề mặt sẽ hướng dòng nuôi qua một vùng hẹp ở tâm của laser, sao cho nó đạt ngưỡng chỉ trong một dải hẹp trong lớp hoạt tính Sự nghịch đảo mật độ chỉ được tạo nên trong dải hẹp này,

dẫn tới sự giới hạn vùng làm việc của laser Một hiệu ứng tinh tế cũng giúp cho sự giam giữ ánh sáng trong dải hoạt tính Sự tồn tại của độ khuếch đại tạo

ra một dẫn sóng hiệu dụng, ràng buộc ánh sáng laser vào vùng trong đó có dòng điện chạy và có độ khuếch đại Hiệu ứng dẫn sóng yếu hơn nếu cấu trúc chứa lớp hoạt tính có các biên chiết suất giống như trong cấu trúc dị thể Các laser dẫn theo khuếch đại là dễ chế tạo hơn nhưng sự giam giữ ánh sáng yếu của chúng hạn chế chất lượng chùm tia và làm nó rất khó hoặc không thể thu được đầu ra ổn định trong hoạt động đơn mode dọc Chúng cũng có thể chịu những sự bất ổn định, nút thắt hoặc sự phi tuyến trong đặc tính lối ra theo dòng Tuy nhiên sự bất ổn định của chúng khiến khó hội tụ chùm ra lại là một ưu điểm trong việc phát công suất cao bởi vì nó làm chùm sáng trải trên một diện tích đủ rộng để không làm hư hại mặt đầu Các laser dẫn theo chiết suất có diện tích phát xạ chỉ khoảng một vài micro-mét và và việc tập trung công suất khoảng 200 mW trên diện tích nhỏ đó có thể làm hư hại bề mặt Nhìn chung laser dẫn theo khuếch đại có thể cung cấp công suất cao hơn Ở công suất thấp, nhiều vấn đề dẫn theo khuếch đại có thể tránh được nhờ cấu trúc dẫn theo chiết suất chẳng hạn bởi thiết kế dị thể vùi (hình 20) Trong các laser như vậy, dải laser được bao bọc ở cả hai phía bởi vật liệu

có chiết suất khác Thông thường chiết suất vùng hoạt tính cao hơn các vật liệu xung quanh, tạo nên một dẫn sóng tương tự như sợi quang, nhưng dải hoạt tính cũng có thể có chiết suất thấp hơn Các laser dẫn theo chiết suất thương mại có dòng ngưỡng thấp, khoảng 20 – 30 mA, và hiệu suất cao hơn laser dẫn theo khuếch đại; chúng cũng có xu hướng có độ rộng phổ hẹp hơn

và thường phát đơn mode dọc

Trong các laser diode hiện đại, nhờ sự phát triển của các phương pháp nuôi epitaxy hiện đại (như epitaxy pha hơi hữu cơ – kim loại, epitaxy chùm phân tử), vùng hoạt tính là các giếng lượng tử; tức là một lớp mỏng khoảng

học lượng tử của điện tử trở nên đáng kể, làm thay đổi cấu trúc mức năng lượng của bán dẫn tạo nên sự cải thiện hoạt động của laser Các hạt tải được tiêm có thể được giam giữ trong một lớp rất mỏng bởi các rào thế của vật liệu

có dải cấm rộng hơn Trên hình 21 sự phân bố các vùng cấm được thể hiện đối với một laser diode hiện đại điển hình Giếng lượng tử tạo thành bởi InGaAs Giếng được “nhúng” trong AlGaAs, một hợp kim có vùng cấm rộng nhưng có hằng số mạng gần như bằng với GaAs Các rìa vùng cấm phải tạo ra các rào thế đủ cao đối với các điện tử và lỗ trống, điển hình > 100meV, để sự

rò các hạt tải bởi kích thích nhiệt là không đáng kể (khoảng 24 meV ở nhiệt

độ phòng)

Sử dụng giếng lượng tử làm vùng hoạt tính có một số ưu điểm:

• Thứ nhất, do vùng cấm tăng ở bên ngoài giếng lượng tử (QW), chỉ vùng

QW cần được bơm để tạo nên sự nghịch đảo Do thể tích này là rất nhỏ, mật độ dòng tiêm được giảm đi khoảng 3 bậc về độ lớn so với laser đồng thể

• Thứ hai, các hạt tải được giam giữ một cách hiệu quả bởi rào thế của QW làm cho không cần pha tạp các vùng gần với tiếp giáp Hiệu quả tái hợp

có bức xạ đạt tới trên 90% trong các laser hiện đại, vật liệu chất lượng cao nhất cho phép hiệu quả tới gần 100% Mặt khác, việc pha tạp thấp dẫn tới cấu trúc laser có độ tổn hao nội tại rất thấp Kết quả là QW mở ra một cách để chế tạo laser dài có hiệu suất cao Việc giảm trở nhiệt và trở nối tiếp bằng cách kéo dài laser tới 4mm đối với đầu phát đơn và tới 2 mm đối với đầu phát dạng thanh cho phép đạt công suất cao tới 4W đối với đầu phát đơn và trên 50W đối với thanh laser

• Thứ ba, QW là một lớp có độ dày khoảng 10 nm Các lớp mỏng như vậy cho phép các vật liệu thành phần không cần hoàn toàn phù hợp hằng số mạng với GaAs Bằng cách thay thế một phần Ga (tiêu biểu là vài phần trăm) bằng In, khoảng bước sóng có thể phát có thể được mở rộng tới