niebieskie diody laserowe- część II

Zdjęcie poniższe pokazuje obraz widziany w elektronowym mikroskopie elektronowym struktury laserowej:

Na Was taki obrazek najprawdopodobniej nie robi żadnego wrażenia, ale zaręczam, że jak go pokazuję na różnych konferencjach, to nikt mi nie chce uwierzyć, że to prawdziwa azotkowa dioda laserowa, a nie graficzna symulacja.

Przyczyna takiego zachwytu jest prosta: wyhodować bezdefektową strukturę epitaksjalną (czyli odtwarzającą strukturę krystaliczną podłoża) jest niezwykle trudno w przypadków GaN-u i związków pokrewnych.

Zaczyna się od samego podłoża, którego tu nie widzimy. Ma ono u prawie wszystkich naszych konkurentów mnóstwo defektów, a przygotowanie jego (tego podłoża) powierzchni przed epitaksją, to wielka sztuka.

Sercem diody laserowej, gdzie powstaje światło, są studnie kwantowe InGaN (czarne kreski na obrazku), których grubość wynosi 2-3 nm, czyli około dziesięciu odstępów międzyatomowych. W zależności od ilości In możemy mieć lasery ultrafioletowe (mało indu), fioletowe (więcej), albo niebieskie (jeszcze więcej). Kiedyś może wepchniemy w warstwę naprawdę bardzo dużo indu, i wtedy będziemy mieli lasery zielone.

Niestety, wyhodowanie warstw InGaN to droga przez mękę, bo trzeba je hodować w bardzo niskiej temperaturze, co powoduje niejednorodne wbudowywanie się indu w sieć krystaliczną, zwiększoną koncentrację zanieczyszczenia tlenowego, a powierzchnia rosnącej warstwy robi się szorstka (a musi być atomowo gładka).

Naokoło studni kwantowych jest światłowód GaN- ten dosyć łatwo wyhodować, ale za to z obu stron światłowodu są warstwy okładkowe (claddings) AlGaN, które powinny być jak najgrubsze i mieć jak najwięcej aluminium, żeby światło nie uciekało ze światłowodu. Wyhodowanie tych claddingów to prawdziwa droga przez mękę, bo AlGaN i GaN mają inne odległości międzyatomowe, co powoduje pękanie, generację innych defektów, a także wyginanie próbki. Żeby temu zapobiec trzeba stosować wiele różnych tricków...

W diodzie laserowej od góry płyną dziury, z dołu elektrony. Spotykają się w studniach kwantowych, rekombinują dając kwanty światła. Niestety, elektrony płyną szybciej, i żeby je wyhamować nad studniami trzeba zastosować warstwę AlGaN z bardzo dużą ilością Al (tzw., electron blocking layer). Wyhodowanie jej to już naprawdę mistrzostwo świata, bo musi być ona typu p (mieć więcej dziur niż elektronów). A aluminium łatwo łapie tlen (ten daje elektrony), a domieszka dziurowa (akceptorowa) w postaci magnezu musi występować w koncentracjach strasznie wielkich, bo zjonizować (wyprodukować dziurę) ją jest prawie niemożliwe.

Trochę to nudne... Wiem, ale chciałem tylko zasygnalizować kilka problemów występujących przy epitaksji GaN-u, InGaN-u i AlGaN-u. My do tej pory wyhodowaliśmy około 10 000 takich warstw. Nie tylko wyhodowaliśmy, ale i każdą gruntownie scharakteryzowaliśmy. I... w dalszym ciągu mamy wiele do ulepszenia!

Ale o tym, i o dalszych problemach zrobienia niebieskiego lasera w dalszych częściach.