Japón desarrolló con éxito un láser semiconductor de ultravioleta de longitud de onda media, ampliando nuevas posibilidades en la ciencia óptica.

Motoaki Iwatani

Profesor, Facultad de Ciencias e Ingeniería, Universidad de Meijo; elegido Representante de Investigación CREST en 2016

La investigación iniciada en la década de 1950
desafía áreas no exploradas

Con longitud de onda y fase fijas, el 'láser' presenta excelente direccionalidad y convergencia, y se utiliza ampliamente en discos ópticos, impresoras láser, comunicaciones ópticas, etc., convirtiéndose en una parte indispensable de la vida cotidiana. En particular, los láseres semiconductores, en comparación con los láseres de gas y los láseres de estado sólido, poseen propiedades superiores como tamaño reducido, alta eficiencia, larga vida útil y alta productividad, lo que ha llevado a su amplia aplicación.

Los láseres semiconductores adoptan una estructura (Fig. 1) en la que una 'capa activa' está situada entre un semiconductor tipo n, en el que los electrones libres con carga negativa son los portadores mayoritarios, y un semiconductor tipo p, en el que los huecos libres con carga positiva son los portadores mayoritarios. Al adoptar esta estructura, también se logra la función de un resonador óptico que confina la luz para formar ondas estacionarias. Tras aplicar voltaje, los electrones libres en el semiconductor tipo n de alta energía y los huecos libres en el semiconductor tipo p se inyectan en la capa activa y se recombinan.

Figura 1: Mecanismo de los láseres semiconductores (izquierda) y estados energéticos de los electrones (derecha)

La energía generada por la recombinación, es decir, la energía de banda prohibida del material, se somete a conversión fotoeléctrica para producir oscilación láser. La banda prohibida es un rango de energía donde no existen estados electrónicos, determinado por el material semiconductor. Cuanto mayor sea la banda prohibida, mayor será la energía de la oscilación lumínica.

Después de que esta teoría fue propuesta en la década de 1950, el desarrollo integral comenzó en la década de 1960. Comenzó con la región infrarroja, que tiene menor energía y longitudes de onda más largas, y gradualmente se expandió a regiones con mayor energía y longitudes de onda más cortas como rojo → verde → azul (Figura 2). Posteriormente, surgió una creciente expectativa de lograr láseres semiconductores en la región ultravioleta con aún mayor energía. Sin embargo, lograr este objetivo requiere producir materiales semiconductores de alta calidad con una gran banda prohibida de más de 3 voltios electrón (eV) e inyectar grandes corrientes que generen ganancia óptica para excitar el láser hacia la oscilación.

Figura 2: Tipos de luz y la región aún no alcanzada por los láseres semiconductores

Con este fin, investigadores de todo el mundo han competido para desarrollar láseres semiconductores de ultravioleta de onda larga en el rango de 320–380 nm (nm = una milmillonésima de metro), desarrollados en 2003, y láseres de ultravioleta de onda corta por debajo de 280 nm en 2019. La última región no alcanzada es el láser semiconductor UV-B en el rango de onda media de 280–320 nm, ampliamente conocido como causa de quemaduras solares. Enfrentar este desafío es el proyecto "Realización de Láseres Semiconductores de Ultravioleta Profundo e Investigación sobre Impurezas de Ultra-Alta Concentración/Semiconductores Polarizados", liderado bajo el programa CREST "Nuevas Tecnologías Ópticas Fundamentales de Nueva Generación Basadas en Nuevas Funciones y Propiedades de la Luz", con el Profesor Motoaki Iwanaga de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de la Universidad de Nagoya como investigador principal.

Iwanaga es uno de los estudiantes del Dr. Isamu Akasaki (quien falleció en 2021), quien recibió el Premio Nobel de Física de 2014 por "inventar diodos emisores de luz azules de alta eficiencia que permiten fuentes de luz blanca brillantes y de bajo consumo". Iwanaga ha estado bajo la guía del Dr. Akasaki durante más de 20 años desde sus estudios universitarios. Iwanaga dice que el Dr. Akasaki le enseñó muchas cosas, incluyendo sus puntos de vista sobre tecnología e investigación, preparación mental como investigador, métodos de pensamiento y enfoques, y perspectivas analíticas. "Él leía todos mis artículos y proporcionaba comentarios y sugerencias precisos línea por línea. Sin exagerar, si no hubiera conocido al Dr. Akasaki, no habría comenzado una carrera en investigación" (Iwanaga).

En el campo de la física de materiales electrónicos, originalmente se creía que no era posible desarrollar láseres semiconductores de onda media en el ultravioleta. Esto se debe a que los láseres semiconductores requieren materiales semiconductores con una energía de banda prohibida de 3,8–4,4 eV, pero los materiales con una energía de banda prohibida superior a 3 eV presentan propiedades de alto aislamiento. Es decir, sería necesario hacer pasar una gran corriente esencial para la oscilación láser a través de un material aislante: un dilema aparentemente imposible. Además, para fabricar láseres semiconductores estables, es necesario desarrollar nuevos materiales con pocos defectos cristalinos y alta calidad.

Basándose en este sentido común de que tal objetivo era inalcanzable, la mayoría de los investigadores no realizaron investigaciones sobre láseres semiconductores de onda media en el ultravioleta. Sin embargo, Iwata creía que "si vamos a hacerlo, debemos desafiar un problema que otros no pueden resolver", y por lo tanto decidió valientemente asumir el desafío. Aunque intentó desarrollar varios materiales utilizando diferentes métodos, cada intento terminó en fracaso, y su determinación comenzó a vacilar gradualmente.

Después de varios años de investigación, Iwata decidió abandonar y compartió esta idea con el Dr. Akasaki. Iwata recordó que al escuchar esta noticia, el Dr. Akasaki, que solía ser amable, de repente se enfureció. Dijo: "¿Es tu determinación solo esto? Has involucrado a tantos estudiantes; ¿puedes asumir la responsabilidad? Si te rindes por esta razón, mejor ni siquiera hagas investigación." Desde ese día, Iwata renovó su desafío.

Lograr el AlN de la más alta calidad del mundo
mediante la fabricación de la capa de AlGaN mediante crecimiento tridimensional

Iwatani así expandió su investigación a diversos campos, propuso todas las hipótesis posibles e intentó varios métodos y materiales para el desarrollo. Se produjeron cientos de muestras prototipo. Después de repetidos ensayos y errores, finalmente comenzó a sentir que se avanzaba alrededor de 2014, cuatro años después de reiniciar la investigación. A partir de cuando CREST adoptó algunas ideas en 2016, ciertos conceptos gradualmente tomaron forma. Específicamente, estos son: 'tratamiento térmico a alta temperatura de nitruro de aluminio (AlN) formado por pulverización catódica', 'fabricación de nitruro de aluminio galio (AlGaN) de alta calidad mediante crecimiento tridimensional' y 'dopado por polarización' (Figura 3).

Figura 3: Vista en sección transversal del láser semiconductor y tres tecnologías innovadoras utilizadas en cada capa

Para el revestimiento de tipo n con el fin de generar cristales de AlGaN de alta calidad, inicialmente se utilizó el método de crecimiento cristalino bidimensional. Sin embargo, durante el proceso de crecimiento se forman numerosas grietas cristalinas y defectos de red denominados dislocaciones, lo que impide obtener cristales de alta calidad capaces de soportar la oscilación láser. En general, la presencia de grietas y dislocaciones reduce la eficacia luminosa; por lo tanto, el umbral para los láseres bombeados ópticamente no alcanzó el valor esperado de 210 kW/cm².

Anteriormente, el sustrato y el cristal crecido sobre él requerían que las constantes de red, como la longitud del eje y el ángulo, fueran coincidentes. Una desalineación de la red superior al 1% impedía obtener cristales de alta calidad. Al desarrollar LED azules, el Dr. Akasaki también enfrentó el mismo problema; para resolverlo, desarrolló la tecnología de capa amortiguadora de deposición a baja temperatura. Este es un método para crecer cristales de nitruro de galio (GaN) después de depositar nitruro de aluminio (AlN) en un sustrato de zafiro. Esto produjo cristales de GaN planos con pocos defectos, lo que llevó al exitoso invento de los LED azules.

Aunque los métodos de crecimiento tridimensional se utilizan raramente en la investigación de materiales basados en AlGaN, Iwaki siguió el enfoque del Dr. Akasaki para la fabricación de cristales. Iwaki utilizó la tecnología de generación de AlN de alta calidad desarrollada por el profesor Hidehito Miyake de la Escuela de Posgrado de Estudios de Innovación Regional de la Universidad de Mie, que ha ganado una amplia aplicación en los últimos años como método de fabricación de plantillas de AlN para LED ultravioleta. Utilizando un método de pulverización catódica donde el plasma de nitrógeno colisiona con AlN como materia prima y las moléculas expulsadas se adhieren al sustrato, se apilaron películas de AlN sobre un sustrato de zafiro. Los cristales fabricados se acumularon en estado microcristalino, pero mediante tratamiento térmico a 1700 °C, se obtuvo con éxito una película de AlN altamente cristalina con muy pocos defectos cristalinos (Fig. 4).

Figura 4: Cambios en el AlN después del tratamiento térmico a alta temperatura

Iwatani utilizó este AlN como plantilla y creció AlGaN tridimensionalmente sobre él (Figura 5). También existe una gran desajuste de red superior al 1% entre el AlN y el AlGaN, por lo que el proceso no fue fluido y se probaron diversas condiciones. Iwatani sonrió y dijo: 'El desarrollo tomó aproximadamente 3 años, pero gracias al esfuerzo de los estudiantes, la densidad de potencia umbral del láser excitado ópticamente se redujo a aproximadamente una séptima parte de la obtenida durante el crecimiento bidimensional, es decir, 36 kW/cm²'. Ahora se ha establecido un método para reducirlo aún más a la mitad.

Figura 5: Proceso para fabricar AlGaN de alta calidad utilizando el método de crecimiento tridimensional

即使是辛苦完成的晶体，不能产生激光振荡也没有任何用处，但向具有大带隙能量的晶体注入大电流并非易事。另外，半导体激光器为控制光，需要膜厚大于光的波长，而常规半导体工学中常用的通过添加杂质来控制传导性的方法无法实现激光振荡所需的大电流密度运行。因此岩谷将目光转向了极化掺杂。

一般来说，半导体晶体是电中性的，但氮化物半导体由于对称性低，具有较大的极化电荷。极化掺杂是利用这种极化电荷来产生导电载流子的方法（图6）。极化是绝缘体材料使用的概念，但利用这种极化效应可以产生自由电子和自由空穴，美国圣母大学的研究团队宣布利用极化成功改善了蓝色LED的特性。

Figura 6: Gradiente de composición de la capa de recubrimiento tipo p

Este estudio aplicó el dopado por polarización a las capas de confinamiento de tipo p, alterando la composición del material AlGaN para cambiar gradualmente la magnitud de la polarización (Fig. 7). Esto permitió la distribución de cargas fijas inducidas por polarización. En 2019, se lograron simultáneamente la inyección de corriente para oscilación láser y la formación de un resonador óptico. Utilizando un enfoque novedoso no encontrado en la ingeniería de semiconductores convencional, superamos el desafío previamente considerado imposible de "hacer que los materiales no conductores sean conductores".

Fig. 7: Dopado por polarización (gradiente de composición de Al)

La evaluación a temperatura ambiente de dispositivos prototipo fabricados utilizando estos tres métodos confirmó que pueden lograr los modos de emisión de luz y el espectro característicos de los láseres de semiconductores (Figs. 8, 9). Por lo tanto, Iwatani anunció en febrero de 2020 la invención del primer láser de semiconductores de onda media ultravioleta del mundo. Recordó que antes de que se publicara el artículo, respondió repetidamente a preguntas de los revisores pares. "Dado que fue un primer mundial, naturalmente hubo consultas sobre si realmente se logró. Presenté muchos documentos de prueba, y cuando finalmente pasó la revisión, naturalmente estuve muy feliz."

Figura 8: Oscilación del láser UV-B (izquierda) y el espectro de emisión del láser UV-B durante la oscilación (derecha)

Figura 9: Oscilación del láser UV-B

Esta invención causó sensación inmediatamente después de su anuncio tanto en el ámbito nacional como internacional. El desarrollo de componentes semiconductores innovadores fue altamente elogiado como un logro de gran importancia no solo para la ciencia del crecimiento de cristales sino también para el avance de la ingeniería semiconductora, con sociedades académicas y medios de comunicación importantes informando sobre ello ampliamente. Se puede decir que iluminó el futuro de la ciencia óptica y la ingeniería semiconductora.

El láser de semiconductores desarrollado en este proyecto tiene un amplio rango de aplicaciones y un impacto significativo. En comparación con los láseres de gas y de estado sólido que operan en el mismo rango de longitudes de onda, permite una miniaturización sustancial, un menor consumo de energía, una vida útil más larga y un coste reducido. Los láseres de gas comunes miden entre 1 y 2 metros de tamaño, mientras que los láseres de semiconductores tienen aproximadamente 1 centímetro, menos del uno por ciento de ese tamaño. El consumo de energía es también alrededor del uno por ciento del de los láseres de gas, y la vida útil alcanza aproximadamente 100 veces más, extendiéndose de 100 horas a 10.000 horas.

Si se logra la producción en masa, los precios también bajarán, posiblemente descendiendo por debajo de la cienmilésima parte de los de los láseres de gas. Iwata enfatizó: "La historia ha demostrado que un nuevo descubrimiento puede cambiar el mundo de la noche a la mañana. Si los dispositivos que utilizan este láser se generalizan, deberían permitir explorar mundos previamente invisibles." En los campos de la medicina y la biociencia, es muy probable que se logren secuenciadores de ADN para analizar secuencias de bases de ADN y otras investigaciones y aplicaciones médicas que eran imposibles con láseres de otros rangos de longitud de onda.

Además, al cambiar la composición del cristal, se espera generar láseres en todas las longitudes de onda dentro del rango de longitudes de onda medias; ya ha comenzado la investigación conjunta con universidades y empresas nacionales e internacionales. Iwata está a la vanguardia de esta investigación, centrado en la próxima era y activamente involucrado en estudios de innovación tecnológica adicional. Siempre tiene presente un lema dicho por el difunto Dr. Akasaki: 'Los resultados que pueden reescribir los libros de texto son investigación de super-primer nivel'.

Original: JSTnews Edición de mayo
Fuente del editor de traducción: Oficina editorial de JST Japón Objetivo