O Japão desenvolveu com sucesso um laser semicondutor de ultravioleta de comprimento de onda médio, expandindo novas possibilidades na ciência óptica.

Motoaki Iwatani

Professor, Faculdade de Ciências e Engenharia, Universidade de Meijo; eleito Representante de Pesquisa CREST em 2016

Pesquisa iniciada na década de 1950
desafia áreas não exploradas

Com comprimento de onda e fase fixos, o 'laser' apresenta excelente direcionalidade e convergência, sendo amplamente utilizado em discos ópticos, impressoras a laser, comunicações ópticas, etc., tornando-se uma parte indispensável da vida cotidiana. Em particular, os diodos laser, comparados com os lasers de gás e os lasers de estado sólido, possuem propriedades superiores como tamanho reduzido, alta eficiência, longa vida útil e alta produtividade, levando à sua ampla aplicação.

Os diodos laser adotam uma estrutura (Fig. 1) onde uma 'camada ativa' é intercalada entre um semicondutor tipo n, no qual elétrons livres com carga negativa são os portadores majoritários, e um semicondutor tipo p, no qual buracos livres com carga positiva são os portadores majoritários. Ao adotar essa estrutura, também é alcançada a função de um ressonador óptico que confina a luz para formar ondas estacionárias. Após aplicar tensão, elétrons livres no semicondutor tipo n de alta energia e buracos livres no semicondutor tipo p são injetados na camada ativa e se recombinam.

Figura 1: Mecanismo dos lasers semicondutores (esquerda) e estados de energia dos elétrons (direita)

A energia gerada pela recombinação, ou seja, a energia da banda proibida do material, sofre conversão fotoelétrica para produzir oscilação laser. A banda proibida é uma faixa de energia onde não existem estados eletrônicos, determinada pelo material semicondutor. Quanto maior a banda proibida, maior a energia da oscilação luminosa.

Após esta teoria ter sido proposta na década de 1950, o desenvolvimento abrangente começou na década de 1960. Iniciou-se com a região infravermelha, que possui menor energia e comprimentos de onda mais longos, e gradualmente expandiu-se para regiões com maior energia e comprimentos de onda mais curtos, como vermelho → verde → azul (Figura 2). Posteriormente, surgiu uma crescente expectativa de alcançar lasers semicondutores na região ultravioleta com energia ainda maior. No entanto, atingir esse objetivo requer a produção de materiais semicondutores de alta qualidade com uma grande banda proibida superior a 3 elétron-volts (eV) e a injeção de grandes correntes que gerem ganho óptico para excitar o laser à oscilação.

Figura 2: Tipos de luz e a região ainda não alcançada por lasers semicondutores

Para isso, pesquisadores de todo o mundo competiram para desenvolver lasers semicondutores de ultravioleta de comprimento de onda longo na faixa de 320–380 nm (nm = uma bilionésima de metro), desenvolvidos em 2003, e lasers de ultravioleta de comprimento de onda curto abaixo de 280 nm em 2019. A última região não alcançada é o laser semicondutor UV-B na faixa de comprimento de onda médio de 280–320 nm, amplamente conhecido como causa de queimaduras solares. Enfrentar esse desafio é o projeto "Realização de Lasers Semicondutores de Ultravioleta Profundo e Pesquisa sobre Impurezas de Ultra-Alta Concentração/Semicondutores Polarizados", liderado sob o programa CREST "Novas Tecnologias Ópticas Fundamentais de Nova Geração Baseadas em Novas Funções e Propriedades da Luz", com o Professor Motoaki Iwanaga da Faculdade de Ciência e Engenharia da Universidade de Nagoya como pesquisador principal.

Iwanaga é um dos estudantes do Dr. Isamu Akasaki (que faleceu em 2021), que recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2014 por "inventar LEDs azuis de alta eficiência que permitem fontes de luz branca brilhante e de baixo consumo". Iwanaga esteve sob a orientação do Dr. Akasaki por mais de 20 anos desde seus estudos universitários. Iwanaga diz que o Dr. Akasaki lhe ensinou muitas coisas, incluindo suas visões sobre tecnologia e pesquisa, preparação mental como pesquisador, métodos de pensamento e abordagens, e perspectivas analíticas. "Ele lia todos os meus artigos e fornecia comentários e sugestões precisos linha por linha. Sem exagero, se eu não tivesse conhecido o Dr. Akasaki, não teria iniciado uma carreira em pesquisa" (Iwanaga).

No campo da física de materiais eletrônicos, acreditava-se originalmente que não seria possível desenvolver lasers semicondutores de ultravioleta de comprimento de onda médio. Isso ocorre porque os lasers semicondutores requerem materiais semicondutores com uma energia de banda proibida de 3,8–4,4 eV, mas materiais com uma energia de banda proibida superior a 3 eV apresentam propriedades de alto isolamento. Ou seja, seria necessário fazer passar uma grande corrente essencial para a oscilação do laser através de um material isolante — um dilema aparentemente impossível. Além disso, para fabricar lasers semicondutores estáveis, é necessário desenvolver novos materiais com poucos defeitos cristalinos e alta qualidade.

Com base neste senso comum de que tal objetivo era inatingível, a maioria dos pesquisadores não conduziu pesquisas sobre lasers semicondutores de ultravioleta de comprimento de onda médio. No entanto, Iwata acreditava que "se vamos fazê-lo, devemos desafiar um problema que outros não podem resolver", e assim corajosamente decidiu assumir o desafio. Embora tenha tentado desenvolver vários materiais usando diferentes métodos, cada tentativa terminou em fracasso, e sua determinação começou a vacilar gradualmente.

Após vários anos de pesquisa, Iwata decidiu desistir e compartilhou essa ideia com o Dr. Akasaki. Iwata lembrou que ao ouvir essa notícia, o Dr. Akasaki, que geralmente era gentil, repentinamente ficou furioso. Ele disse: "Sua determinação é apenas isso? Você envolveu tantos estudantes; você pode assumir a responsabilidade? Se desistir por esse motivo, melhor nem fazer pesquisa." A partir daquele dia, Iwata renovou seu desafio.

Alcançar o AlN de mais alta qualidade do mundo
fabricando a camada de AlGaN por crescimento tridimensional

A Iwatani assim expandiu sua pesquisa para vários campos, propôs todas as hipóteses possíveis e tentou vários métodos e materiais para desenvolvimento. Centenas de amostras protótipo foram produzidas. Após repetidos testes e erros, finalmente começou a sentir que havia progresso por volta de 2014, quatro anos após reiniciar a pesquisa. A partir de quando o CREST adotou algumas ideias em 2016, certos conceitos gradualmente tomaram forma. Especificamente, estes são: 'tratamento térmico em alta temperatura de nitreto de alumínio (AlN) formado por sputtering', 'fabricação de nitreto de alumínio-gálio (AlGaN) de alta qualidade por crescimento tridimensional' e 'dopagem por polarização' (Figura 3).

Figura 3: Vista em seção transversal do laser semicondutor e três tecnologias inovadoras usadas em cada camada

Para o revestimento do tipo n com o objetivo de gerar cristais de AlGaN de alta qualidade, inicialmente foi utilizado o método de crescimento cristalino bidimensional. No entanto, durante o processo de crescimento, formam-se numerosas trincas cristalinas e defeitos de rede denominados discordâncias, o que impede a obtenção de cristais de alta qualidade capazes de suportar a oscilação a laser. Em geral, a presença de trincas e discordâncias reduz a eficácia luminosa; portanto, o limiar para os lasers bombeados opticamente não atingiu o valor esperado de 210 kW/cm².

Anteriormente, o substrato e o cristal crescido sobre ele exigiamos que as constantes de rede, como o comprimento do eixo e o ângulo, fossem compatíveis. Uma incompatibilidade de rede superior a 1% tornava impossível obter cristais de alta qualidade. Ao desenvolver LEDs azuis, o Dr. Akasaki também enfrentou o mesmo desafio; para resolvê-lo, desenvolveu a tecnologia de camada tampão de deposição em baixa temperatura. Este é um método de crescer cristais de nitreto de gálio (GaN) após depositar nitreto de alumínio (AlN) num substrato de safira. Isso resultou em cristais de GaN planos com poucos defeitos, levando ao sucesso da invenção dos LEDs azuis.

Embora os métodos de crescimento tridimensional sejam raramente utilizados na pesquisa de materiais baseados em AlGaN, Iwaki seguiu a abordagem do Dr. Akasaki para a fabricação de cristais. Iwaki utilizou a tecnologia de geração de AlN de alta qualidade desenvolvida pelo professor Hidehito Miyake da Escola de Pós-Graduação em Estudos de Inovação Regional da Universidade de Mie, que tem ganhado ampla aplicação nos últimos anos como método de fabricação de modelos de AlN para LEDs ultravioleta. Utilizando um método de sputtering onde o plasma de nitrogênio colide com AlN como matéria-prima e as moléculas ejetadas aderem ao substrato, filmes de AlN foram empilhados sobre um substrato de safira. Os cristais fabricados acumularam-se em estado microcristalino, mas através de tratamento térmico a 1700 °C, obteve-se com sucesso uma película de AlN altamente cristalina com muito poucos defeitos cristalinos (Fig. 4).

Figura 4: Alterações no AlN após tratamento térmico em alta temperatura

Iwatani usou este AlN como modelo e cresceu AlGaN tridimensionalmente sobre ele (Figura 5). Existe também uma grande incompatibilidade de rede superior a 1% entre o AlN e o AlGaN, portanto o processo não foi suave e várias condições foram testadas. Iwatani sorriu e disse: 'O desenvolvimento levou cerca de 3 anos, mas graças aos esforços dos estudantes, a densidade de potência limiar do laser opticamente bombeado caiu para cerca de um sétimo da observada no crescimento bidimensional, ou seja, 36 kW/cm²'. Agora, um método para reduzir ainda pela metade foi estabelecido.

Figura 5: Processo para produzir AlGaN de alta qualidade usando o método de crescimento 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 composição do revestimento tipo p

Este estudo aplicou o dopagem por polarização às camadas de confinamento do tipo p, alterando a composição do material AlGaN para mudar gradualmente a magnitude da polarização (Fig. 7). Isso permitiu a distribuição de cargas fixas induzidas por polarização. Em 2019, foram alcançadas simultaneamente a injeção de corrente para oscilação a laser e a formação de um ressonador óptico. Utilizando uma abordagem inovadora não encontrada na engenharia de semicondutores convencional, superamos o desafio anteriormente considerado impossível de "tornar materiais não condutores condutores".

Fig. 7: Dopagem por polarização (gradiente de composição de Al)

A avaliação em temperatura ambiente de dispositivos protótipo fabricados usando esses três métodos confirmou que eles podem alcançar os modos de emissão de luz e o espectro característicos dos lasers de semicondutores (Figs. 8, 9). Portanto, Iwatani anunciou em fevereiro de 2020 a invenção do primeiro laser de semicondutor de ultravioleta de comprimento de onda médio do mundo. Ele lembrou que antes da publicação do artigo, respondeu repetidamente às perguntas dos avaliadores por pares. "Como foi um primeiro mundial, naturalmente houve questionamentos sobre se realmente foi alcançado. Apresentei muitos documentos de prova, e quando finalmente passou pela revisão, naturalmente fiquei muito feliz."

Figura 8: Oscilação do laser UV-B (esquerda) e o espectro de emissão do laser UV-B durante a oscilação (direita)

Figura 9: Oscilação do laser UV-B

Esta invenção causou sensação imediatamente após seu anúncio, tanto no âmbito nacional quanto internacional. O desenvolvimento de componentes semicondutores inovadores foi altamente elogiado como uma conquista de grande importância não apenas para a ciência do crescimento de cristais, mas também para o avanço da engenharia semicondutora, com sociedades acadêmicas e grandes meios de comunicação relatando amplamente sobre isso. Pode-se dizer que iluminou o futuro da ciência óptica e da engenharia semicondutora.

O laser de semicondutores desenvolvido neste projeto tem uma ampla gama de aplicações e um impacto significativo. Comparado com os lasers de gás e de estado sólido que operam na mesma faixa de comprimento de onda, ele permite significativa miniaturização, menor consumo de energia, maior vida útil e redução de custos. Os lasers de gás comuns medem entre 1 e 2 metros de tamanho, enquanto os lasers de semicondutores têm aproximadamente 1 centímetro, menos de um por cento desse tamanho. O consumo de energia é também cerca de um por cento do dos lasers de gás, e a vida útil atinge aproximadamente 100 vezes mais, estendendo-se de 100 horas para 10.000 horas.

Se a produção em massa for alcançada, os preços também cairão, potencialmente caindo abaixo de uma centésima milésima parte dos lasers de gás. Iwata enfatizou: "A história mostrou que uma nova descoberta pode mudar o mundo da noite para o dia. Se os dispositivos que usam este laser se tornarem amplamente difundidos, devem permitir a exploração de mundos anteriormente não vistos." Nos campos da medicina e da biociência, é altamente provável que sejam realizados sequenciadores de DNA para analisar sequências de bases de DNA e outras pesquisas e aplicações médicas que eram impossíveis com lasers de outras faixas de comprimento de onda.

Além disso, ao alterar a composição do cristal, espera-se gerar lasers em todos os comprimentos de onda dentro da faixa de comprimentos de onda médios; a pesquisa conjunta com universidades e empresas nacionais e internacionais já começou. Iwata está na vanguarda desta pesquisa, focado na próxima era e ativamente envolvido em estudos de inovação tecnológica adicional. Ele sempre mantém em mente um lema dito pelo falecido Dr. Akasaki: 'Resultados que podem reescrever livros didáticos são pesquisa de super-primeira classe'.

Original: JSTnews Edição de maio
Fonte do editor de tradução: Escritório editorial da JST Japão Objetivo