Niebieskie światło laserowe

Półprzewodnikową diodę laserową emitującą niebieskie światło skonstruował zespół z Centrum Badań Wysokociśnieniowych Polskiej Akademii Nauk - poinformował dr Piotr Perlin z tego Centrum. Technologia wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych w oparciu o azotek galu może znaleźć zastosowanie nie tylko w informatyce, ale także w astronautyce.
Diody emitujące niebieskie światło laserowe pozwalają na czterokrotne zwiększenie ilości informacji na dyskach optycznych w porównaniu z najpopularniejszymi dziś urządzeniami wykorzystującymi lasery czerwone. Niebieskie światło ma większą częstotliwość niż światło czerwone, a więc i krótszą długość fali. Dzięki temu można zapisać informację z większą rozdzielczością, a więc więcej informacji na jednostce powierzchni.
Zespół prof. Sylwestra Porowskiego skonstruował półprzewodnikową diodę laserową emitującą światło niebieskie o długości fali 425 nm. Polacy są pierwszą w Europie grupą naukowców, którzy uzyskali akcję laserową na strukturach opartych o azotek galu. Przed Polakami długotrwała akcję udało się osiągnąć tylko Amerykanom i Japończykom.
"Sukces ten oparty jest o unikatową w skali światowej technologię uzyskiwania monokryształów azotku galu w warunkach bardzo wysokich ciśnień. Jest to technologia w całości opracowana w Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN" - mówi dr Perlin.
Innym ośrodkom udało się dotąd wytworzyć tylko polikryształy azotku galu, to jest kryształy złożone z większej ilości mniejszych kryształów. Wytworzenie odpowiednio dużego monokryształu udało się dopiero Polakom. Monokryształy mają tą przewagę nad polikryształami, że nie zawierają defektów wynikłych z niedopasowania elementów składowych polikryształu.
Aby uzyskać odpowiednio duży monokryształ azotku galu, umieszcza się metaliczny gal w grafitowej komorze, po czym poddaje go działaniu azotu pod ciśnieniem kilku tysięcy atmosfer, do tego w temperaturze ponad tysiąca stopni Celsjusza. W takich warunkach gal musi się znajdować przez około tydzień.
Defekty struktury kryształu azotku galu są niezbędne do tego by kryształ zaświecił. Jednak jeśli są zbyt duże, prowadzą do strat optycznych - zabijają emisję światła. Znaczne defekty rozpraszają też światło, które - podróżując w krysztale musi ulec wzmocnieniu, by laser mógł zaświecić jako laser, a nie jako dioda elektroluminescencyjna. Sukcesem Polaków jest opanowanie defektów powstających w procesie produkcji kryształu azotku galu.
"Struktura podłoża musi być bardzo wysokiej jakości, by dawać jak najmniej strat optycznych. My, dzięki redukcji defektów o co najmniej cztery rzędy wielkości, eliminujemy jeden z istotnych problemów, jakie mają ośrodki na świecie" - powiedział Perlin.
Azotek galu wydaje się idealnym materiałem do produkcji przyrządów elektronicznych i opanowanie technologii wytwarzania jego nie obarczonych defektami monokryształów od dawna było marzeniem naukowców. Kryształy azotku galu są twarde, nie są kruche i, co najważniejsze, przyrządy elektroniczne skonstruowane w oparciu o ten materiał są odporne na wysoką temperaturę.

Mały wykład z elektroniki, czyli dlaczego nasze komputery padają w wysokich temperaturach

Przyrządy półprzewodnikowe funkcjonują dzięki istnieniu tzw. złącz P-N. Złącza takie wytwarzane są poprzez domieszkowanie kryształów półprzewodnikowych pierwiastkami dostarczającymi, bądź zabierającymi swobodne elektrony. Dziś najpopularniejszym materiałem półprzewodnikowym jest krzem. Jeśli fragment krzemu "zanieczyścimy" innym pierwiastkiem, który na przykład dostarczy nam nadmiar swobodnych elektronów, w wyniku dyfuzji nadmiarowe elektrony przepłyną do niedomieszkowanego obszaru. Przepływ nie będzie trwał w nieskończoność, gdyż przesunięcie nośników wytworzy pole elektrostatyczne blokujące dalszy ich przepływ. Otrzymamy w ten sposób barierę potencjału i... mamy gotową diodę półprzewodnikową. Przyrząd taki przepuszcza prąd w jedną stronę (gdy przyłożone napięcie obniża barierę i pozwala na przepływ nośników), a blokuje w drugą (gdy przyłożone napięcie prowadzi do zwiększenia bariery). Bardziej skomplikowane przyrządy półprzewodnikowe, jak choćby tranzystory, składają się z większej ilości złącz P-N.
Cały problem ze złączami P-N opartymi na krzemie polega na tym, że nie są one odporne na wysoką temperaturę. W materiale półprzewodnikowym część elektronów znajduje się w stanie swobodnym, zaś część jest związana i może stać się swobodna po dostarczeniu odpowiedniej ilości energii odpowiadającej przerwie energetycznej pomiędzy stanem stacjonarnym (walencyjnym) a stanem swobodnym. Gdy temperatura wzrasta, nośniki swobodne w półprzewodniku generowane są znacznie bardziej intensywnie (jest ich znacznie więcej), a tym samym ich ilość może w pewnym momencie praktycznie zrównoważyć ilość nośników pochodzących z domieszkowania. Wtedy złącza P-N znikają, a nasze tranzystory zamieniają się w bezużyteczny kawałek krzemu. To dlatego nasze komputery ciężko znoszą wysokie temperatury i muszą być chłodzone.
Przyrządy elektroniczne oparte na azotku galu (dysponującym szerszą przerwą energetyczną) swobodnie znoszą temperatury o kilkaset stopni wyższe. Po prostu ilość generowanych elektronów swobodnych jest o rzędy wielkości niższa niż w krzemie w tej samej temperaturze. Daje nam to dodatkowy, pokaźny bufor temperaturowy i otwiera nowe możliwości zastosowań.
Fakt iż kryształ azotku galu ma szeroką przerwę energetyczną wyjaśnia też, dlaczego może on emitować nieosiągalne dotąd niebieskie światło. Swobodne elektrony powracając ze stanu swobodnego (wzbudzenia) do stanu stacjonarnego prowadzą do emisji fotonu. Wyższa energia fotonu oznacza wyższą częstotliwość odpowiadającej mu fali elektromagnetycznej, a więc krótszą długość fali. Istotny jest również fakt, iż płaska przerwa energetyczna nie wymaga udziału w zjawisku fononu i pozwala by było ono na tyle intensywne, by można było je zaobserwować.

Azotek galu w astronautyce

Odporność przyrządów elektronicznych (bądź optoelektronicznych) na wyższe temperatury umożliwi lokalizację przyrządów bliżej płaszcza i stosowanie mniejszej ilości układów chłodzących, co z kolei umożliwi odciążenie sond i sprawi, że staną się bardziej niezawodne. Oczywiście możliwe jest stosowanie jeszcze bardziej odpornych na temperatury technologii, na przykład diamentowych, jednak wciąż są one słabo opanowane, a tym samym kosztowne. Opanowanie azotku galu wydaje się bliskie i kreuje szerokie perspektywy zastosowań.
Prace nad laserem prowadzono w ramach rządowego programu "Rozwój Niebieskiej Optoelektroniki", zainicjowanego przez ministerstwo gospodarki i Komitet Badań Naukowych.





Niebieski laser, polski skarb!

Rozmowa z twórcą polskiego niebieskiego lasera, prof. Sylwestrem Porowskim

Gdzie się podział nasz niebieski laser? Pytam, bo niektóre media poinformowały, że program jego budowy realizowany w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN nie wypalił, a pieniądze podatnika poszły w błoto.
Prof. Sylwester Porowski, szef Instytutu Wysokich Ciśnień PAN: Ten laser już jest. A właściwie są, bo stworzyliśmy niebieskie lasery półprzewodnikowe różnego rodzaju. Postęp w ich budowie był i jest bardzo szybki. Założenia programu rządowego zostały przez nas nie tylko wykonane, ale i przekroczone. Kiedy pisałem jego założenia, nie przychodziło mi do głowy, że startując w 2000 r., już pięć lat później będziemy mieli laser o mocy 200 mW!

Jakie były te założenia?
- Planowaliśmy stworzenie laserów impulsowych, czyli świecących z przerwami, o mocy 50 mW. W tej chwili sprzedajemy, głównie za granicę, lasery o mocy do 1 W w impulsie. Jeżeli chodzi o lasery pracy ciągłej, to - choć od początku nastawialiśmy się na stworzenie urządzenia o wysokiej mocy, bo tu możemy być konkurencyjni - ostrożnie założyliśmy moc 5 mW. A jest 200! To jedna z najwyższych mocy dostępna w tej chwili na rynku dla tego typu laserów.

Ile państwo polskie zainwestowało w program budowy niebieskich laserów?
- Ok. 12 mln złotych w ciągu pięciu lat. Sprzedaż laserów i produktów pokrewnych przyniosła do tej pory już prawie 2 mln złotych, co dla programu badawczego, który dopiero się kończy, jest bardzo dobrym wynikiem. Duże nadzieje wiążemy z wprowadzeniem na rynek naszych laserów pracy ciągłej o mocy 100 i 200 mW. Na początku w postaci próbek inżynierskich. Będziemy takie próbki sprzedawać już w grudniu tego roku.

Czy to prawda, że NIK uznał, iż Polska już dawno powinna przestać finansować Pański projekt?
- Dostaliśmy wnioski po kontroli, którą NIK przeprowadził u nas w końcu zeszłego roku. Oczywiście NIK ma kilka zastrzeżeń, ale główna ocena jest pozytywna.

Jakie było najpoważniejsze zastrzeżenie NIK?
- Dotyczyło opóźnień w realizacji niektórych zadań. Rzeczywiście tak się zdarzało, szczególnie tam, gdzie niezbędna była specjalna aparatura. Ale również opóźnienia w finansowaniu programu sięgały jednego roku.

Co to za firma - TopGaN, która produkuje polskie lasery niebieskie? Dlaczego badania prowadzone za państwowe pieniądze w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN są wykorzystywane przez prywatną firmę?

- Naukowcy są od wymyślania, a firmy od produkcji. Trudno, żeby instytut naukowy zajmował się produkcją i sprzedażą czegokolwiek. Na całym świecie badania naukowe są konsumowane właśnie w ten sposób, w prywatnych firmach. Udziałowcami w takich przedsięwzięciach są zarówno instytuty naukowe, sami naukowcy, jak i prywatny kapitał. Bez niego wyniki naszych badań zostałyby na papierze. Zresztą zanim rząd wyłożył pieniądze, kazał nam udowodnić, że przemysł jest zainteresowany naszymi pracami.

Kto jest udziałowcem TopGaN?
- 45 proc. udziałów ma Instytut Wysokich Ciśnień, 16 proc. autorzy badań, resztę polski inwestor prywatny.

W czym laser niebieski jest lepszy od czerwonego?
- Podkreślmy, że mówimy o laserach półprzewodnikowych, które w przeciwieństwie do zwykłych laserów mają bardzo małe wymiary - kilku dziesiątych milimetra. Bardzo długo dostępne były tylko lasery półprzewodnikowe świecące światłem czerwonym. Stosuje się je głównie do zapisu i odczytu informacji na płytach CD czy DVD.

Natomiast laser niebieski...
- Po pierwsze, światło niebieskie ma znacznie większą energię niż czerwone. Dlatego taki laser można zastosować do pobudzania różnych substancji do świecenia. Dzięki temu zjawisku, budując spektroskopy, można te substancje badać.

Po drugie, laser niebieski ma krótszą falę niż czerwony, dzięki czemu pozwala na skupienie wiązki lasera na mniejszym polu. Dlatego jest dużo wydajniejszy w zapisie danych. Zamiast kilku gigabajtów w tym samym miejscu zapisuje kilkadziesiąt. To tak, jakbyśmy pisali dużo lepiej zaostrzonym ołówkiem.




Kryształek azotku galu (GaN), wyhodowany w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN.
Służy Polakom do budowy niebieskich laserów.



Niebieski laser skonstruowany przez Polaków.
Czy będzie to wkrótce nasz eksportowy przebój?


Kto produkuje niebieskie lasery?
- Na sprzedaż tylko Japończycy z firmy Nichia oraz my - TopGaN. Mamy ok. 2 proc. rynku, który na świecie dopiero startuje.

Czy laser polski różni się od japońskiego?
- Japończycy jako podłoże zastosowali szafir. Dopiero potem nakładają na niego warstwę azotku galu (GaN). My natomiast postawiliśmy na podłoże z kryształu GaN.

Która metoda jest lepsza?
- Bardzo ważne jest to, żeby podłoże i sam laser były wykonane z jak najbardziej zbliżonych materiałów. To tak jak z jajkami ułożonymi w papierowych foremkach. Jeśli jajka pasują do foremki, to można je łatwo ułożyć, podobnie jak atomy na dopasowanym krysztale. Dzięki temu nasze lasery mają znacznie mniej defektów niż lasery budowane na szafirze.

A która metoda jest tańsza?
- Japoński niebieski laser ciągły o mocy 5 mW kosztuje ok. 2 tys. dolarów. Laser o mocy 200 mW (próbka inżynierska) kosztuje jeszcze więcej. My możemy wyprodukować takie lasery taniej.

W takim razie dlaczego Japończycy wybrali szafir, a nie azotek galu?
- Kiedy zaczynali pracę nad niebieskim laserem półprzewodnikowym, podłoża z azotku galu jeszcze nie było, a jego wyprodukowanie było i jest niezwykle skomplikowane. Dlatego poszli łatwiejszą drogą. My uznaliśmy, że warto włożyć dużo wysiłku w stworzenie idealnego podłoża, na którym potem stosunkowo łatwo zbudujemy laser. Naszą technologię oczywiście chronimy kilkoma międzynarodowymi patentami. Wiemy jednak, że próbowano ją skopiować. Nie udało się.

Na czym polega sekret?
- Hodujemy kryształy azotku galu, tak jak się hoduje sztuczne diamenty. Robimy to w specjalnych reaktorach, w których jest bardzo wysokie ciśnienie - kilkanaście tysięcy atmosfer, i bardzo wysoka temperatura - ok. 1600 oC. Ta technologia to specjalność naszego instytutu. Pracowaliśmy nad nią przez wiele lat.

Proszę opowiedzieć, jak taki kryształ rośnie.
- Przede wszystkim rośnie bardzo długo - 100, a czasami 200 godzin. Sprężony do kilkunastu tysięcy atmosfer azot w wysokiej temperaturze rozpuszcza się w galu. Taki związek krystalizuje się w zimnym miejscu tygla. Ten proces jest troszkę podobny do krystalizacji soli kuchennej.

Na razie udało nam się uzyskać kryształy GaN o średnicy do 18 milimetrów i grubości ok. 100 mikronów. Opracowaliśmy też metodę produkcji większych kryształów - z wykorzystaniem zarodka, wokół którego w reaktorze wysokociśnieniowym powstaje kryształ o średnicy blisko 5 cm. Im większy kryształ, tym więcej laserów można z niego wykroić.

Kiedy już mamy kryształ, to co trzeba zrobić, żeby stało się światło?
- Laser jest zbudowany z kilkuset bardzo cienkich warstw materiałów zbliżonych w budowie do azotku galu (do niektórych dodano odrobinę aluminium, a do innych indu), które łącznie mają grubość jednego mikrona. Te warstwy nanosimy kolejno, z atomową dokładnością, na wyhodowany wcześniej kryształ azotku galu. Potem dzielimy taką płytkę na pojedyncze laserki o średnicy poniżej 1 mm i przepuszczamy przez nie prąd. Ten prąd zamienia się w światło.

W dalszej perspektywie, jak duży jest rynek niebieskich laserów?
- W zeszłym roku na całym świecie Japończycy i my sprzedaliśmy łącznie kilka tysięcy laserów, w sumie za ok. 5 mln dolarów. Produkcja i sprzedaż tych laserów dopiero się jednak zaczyna. Rynek jest jeszcze dziewiczy, ale rozwija się i wkrótce będzie wart miliardy dolarów. Jeśli chcemy utrzymać ten swój dwuprocentowy udział lub go powiększyć, musimy jeszcze sporo zainwestować.

Czy niebieski laser zbudowany na krysztale azotku galu to jest to, na co Polska powinna postawić? Tak jak Finowie postawili na telefony komórkowe.
- Na razie sprawdzają się nasze przewidywania co do rozwoju technologii i rynku. Odnieśliśmy niewątpliwy sukces, który otwiera przed nami ogromne możliwości. Teraz wszystko zależy od wielkości inwestycji, a także sprzyjającej polityki państwa. Uważam, że przemysł laserowy w Polsce ma szansę na rozwój i konkurencję na świecie.