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 nieskonczoność, 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 enegii 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 temeratury 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.