Nawet nie zauważyliśmy, jak szybko półprzewodnikowe technologie laserowe nam spowszedniały, jak szybko stały się nieodłączną częścią naszego życia czy naszej pracy. Odkąd w 1982 roku firmy Philips i Sony wprowadziły na rynek pierwsze odtwarzacze CD, wielu z nas nawet nie zdaje sobie sprawy, jak powszechnymi urządzeniami stały się lasery. Piloty do telewizorów, czytniki CD i DVD, wskaźniki, diody montowane w telefonach i urządzeniach elektronicznych, geodezyjne przyrządy pomiarowe, aparatura medyczna… Laser półprzewodnikowy na dobre zadomowił się w naszej codzienności. Technologia ta jednak cały czas się rozwija, konstruowane są szybsze napędy optyczne, precyzyjniejsze mierniki. Niebagatelny udział w tym swoistym wyścigu technologicznym mają polscy uczeni z Instytutu Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Opracowali oni unikatową technikę wytwarzania tzw. „niebieskiego lasera”, uzyskując tym samym lepsze wyniki niż naukowcy z Japonii.
Niebieski rarytas
Większość wytwarzanych obecnie do celów komercyjnych laserów oparta jest o materiały półprzewodnikowe. Element laserujący (dioda LED lub laser) ma budowę podobną do kanapki – sandwicza. Na podłożu grubości ok. 0,1 mm układane są w procesie technologicznym kolejne warstwy grubości ok. 1 mikrometra, tworzące w sumie taką właśnie „kanapkową” strukturę, zwaną przez fizyków i elektroników złączem półprzewodnikowym (konkretniej półprzewodnikowym złączem p-n). Następnie przykłada się do takiej struktury odpowiednie napięcie i element zaczyna świecić. W większości przypadków jako podłoża używa się krzemu (symbol Si), a kolejnymi warstwami, w zależności od przeznaczenia, są najczęściej german (Ge), arsenek galu (GaAs) czy siarczek kadmu (CdS). Technika ta pozwala wywarzać lasery i diody emitujące światło czerwone (czytniki CD) lub podczerwone (o większej długości fali lecz mniejszej energii – stosowane w pilotach TV) stąd nadano jej nazwę „czerwonej optoelektroniki”.
Źr. Wikipedia.Lasery takie, mimo wielkiej liczby zastosowań, nie są jednak w stanie przeskoczyć pewnych ograniczeń, jakie nakłada na nie sama fizyka. Od początku lat 90. rozpoczęły się badania, mające na celu stworzenie nowego typu złącza półprzewodnikowego, emitującego światło fioletowe. Lasery nowej generacji, wytwarzające takie promieniowanie, pozwoliłyby rozwinięcie m.in. nowych technologii informatycznych. Światło czerwone, używane dotychczas w napędach optycznych naszych komputerów, ma długość fali około 600 nanometrów, światło fioletowe dla porównania operuje długością ok. 420 nanometrów.
Mniejsza długość fali (a jednocześnie większa częstotliwość) oznaczałaby możliwość czterokrotnie gęstszego zapisu informacji na dyskach CD i DVD (to tak, jakbyśmy pisali dużo bardziej zaostrzonym ołówkiem), większą precyzję pomiarów (krótsza fala – większa zdolność rozdzielcza urządzenia). Mniejsza długość fali oznacza też większą energię promieniowania, a to rozszerza gamę zastosowań na medycynę – dzięki większej energii można wykrywać więcej rodzajów cząsteczek (na przykład przy diagnostyce czy badaniu skażeń). Gdy dołoży się do tego jeszcze możliwość wykorzystania niebieskiego lasera do komunikacji podwodnej (dla światła niebieskiego woda jest przezroczysta – nie jest ono w niej absorbowane), możliwość wprowadzenia nowego standardu wysokorozdzielczej telewizji HD oraz nowe standardy optoelektroniczne (HD DVD i Blu-Ray) okazuje się, że opracowanie takiej technologii dałoby autorom milionowe zyski (nie wspominając już o sławie naukowej).
Do walki pierwsi stanęli Japończycy, którzy już w latach 1992-96 zaprezentowali pierwsze niebieskie diody elektroluminescencyjne i laserowe. Technika opracowana przez grupę profesora Shuji Nakamury opierała się na stosowanych już podłożach krzemowych. Jako kolejnych „plastrów” użyto warstw nowego materiału – azotku galu (GaN). Azotek galu, dzięki swym właściwościom fizykochemicznym, w trakcie emisji laserowej wysyła promieniowanie o długości 415 nanometrów. Nadawał się więc wspaniale. Jedynym problemem było otrzymanie sprawnie działającego lasera, bazującego na tym materiale i zbudowanego na podłożu krzemowym. GaN ma inną strukturę niż krzem, na którym został osadzony (można porównać to do wkładania jaj kurzych w foremki od jaj kaczych). Wynikała z tego wielka ilość defektów i dyslokacji w sieci krystalicznej, które przekładały się na mniejszą wydajność gotowych urządzeń. Lasery japońskie pracowały, lecz daleko im było do ideału. Podobną technikę, z podobnymi efektami, zastosowali Amerykanie.
Polska tajemnica
Rozwiązaniem tych problemów byłoby wyhodowanie odpowiednio dużego kryształu azotku galu, który mógłby służyć za podłoże. Monokryształ krzemu można uzyskać w temperaturze 1400 kelwinów pod ciśnieniem mniejszym od atmosferycznego (poniżej 1 bara), a arsenek galu wymaga temperatury 1250 K i ciśnienia ok. 1,5 bara. Wspomniany GaN wymaga z kolei temperatury 2225 K (wysoka, ale do uzyskania) i niesamowicie wielkiego ciśnienia - 60000 barów! W warszawskim IWĆ PAN kilka lat temu opracowano specjalną metodę (unikatową w skali świata) uzyskiwania warunków odpowiednich do wzrostu GaN-u. W specjalnym tyglu umieszczono stopiony gal w temperaturze 1800 K, nad galem sprężono azot pod ciśnieniem 20 000 barów. Na skutek dyfuzji azotu do galu, w chłodniejszych miejscach tygla, gdzie temperatura wynosi ok. 1500 K, zaczął krystalizować się poszukiwany związek.
Źr. Wikipedia. Fot. na lic. GNU.Po około 300 godzinach takiego procesu otrzymuje się gotowe i odpowiednio duże kryształy azotku galu. Proces ten zapewnia też bardzo małe zdefektowanie struktury otrzymanego materiału. Dokładne szczegóły technologiczne okryte są tajemnicą. Do budynku, w którym znajduje się aparatura (wspomniany tygiel) nie można się zbliżać – wstęp mają tak tylko pracownicy naukowi. Wszystko to w obawie przed „wycieknięciem” cennej receptury (jak przyznają sami pracownicy IWĆ, zdarzyły się próby kopiowania ich metody – aczkolwiek nikomu nie udało się uzyskać takich wyników).
Wyhodowanie monokryształu o zadowalających rozmiarach jest jednak początkiem drogi. Uzyskane kryształy tnie się, już w innym budynku, na tzw. wafery. Następnie wafery łupie się na „linijki laserowe”, na które dopiero metodami epitaksjalnymi MOVPE (Metalo-Organic Vapor Phase Epitazy) lub MBE (Molecular Beam Epitaxy – obie te techniki są procesami bardzo skomplikowanymi – zainteresowanych odsyłam do specjalistycznych publikacji) nanosi się, w zależności od pożądanych parametrów przyszłego lasera, na inne materiały, głównie związki azotu, galu, aluminium i indu - (AlGaIn)N, otrzymując strukturę lasera bądź diody LED. Wszystkie te operacje wymagają, oprócz niesamowitej precyzji, także niezwykłej sterylności pomieszczeń, w których są one wykonywane. W Instytucie Wysokich Ciśnień zbudowane zostały specjalne, jedyne w Polsce, pomieszczenia zwane „clean room’ami”. Są to pokoje „specjalnej czystości” – wejść do nich można wyłącznie w odpowiednim kombinezonie, zakrywającym szczelnie całe ciało, przechodząc uprzednio przez odpowiednie podciśnieniowe komory.
Jak na razie przedstawiona powyżej metoda, z racji skomplikowania, używana jest do produkcji pojedynczych, produkowanych na zamówienie, laserów i LED-ów, głównie do zastosowań w spektroskopowym badaniu różnych materiałów. Do zastosowań takich, jak te wymienione na początku artykułu, potrzebne są jeszcze wydajniejsze i mniej złożone metody. Pierwszy, stworzony kilka lat temu laser miał moc 5 mW, ostatnie doniesienia z obozu IWĆ donoszą o zbudowaniu niebieskiego lasera półprzewodnikowego wysokiej mocy. W planach jest także zbudowanie lasera o długościach fali w zakresach 260-270 nm (dezynfekcja wody i sprzętu medycznego) oraz 280-290 nm (umożliwiłoby to detekcję wszystkich materiałów biologicznych).
Póki co, większe udziały w rynku „niebieskiej optoelektroniki” mają Japończycy. Bardzo możliwe jednak, że ostatnie słowo będzie należało do polskich uczonych. Zainteresowanych tematem odsyłam do strony IWĆ PAN lub pod adres http://www.consult.topgan.fr.pl/index.htm
Marcin Perzanowski
