Япония успешно разработала полупроводниковый лазер среднего ультрафиолетового диапазона, открыв новые возможности в области оптической науки.

Мотоаки Ивата

Профессор, Факультет науки и инженерии, Университет Мэйдзё; избран представителем по исследованиям CREST в 2016 году

Исследования, начавшиеся в 1950-х годах
, бросают вызов неизведанным областям

При фиксированных длине волны и фазе «лазер» обладает отличной направленностью и сходимостью, широко применяется в оптических дисках, лазерных принтерах, оптической связи и т.д., став неотъемлемой частью повседневной жизни. В частности, полупроводниковые лазеры по сравнению с газовыми и твердотельными лазерами обладают превосходными свойствами: малый размер, высокая эффективность, длительный срок службы и высокая производительность, что обеспечило их широкое применение.

Полупроводниковые лазеры используют структуру (рис. 1), в которой «активный слой» заключён между n-типом полупроводника, где основными носителями заряда являются свободные электроны с отрицательным зарядом, и p-типом полупроводника, где основными носителями являются свободные дырки с положительным зарядом. Благодаря такой структуре также реализуется функция оптического резонатора, удерживающего свет для формирования стоячих волн. После приложения напряжения свободные электроны из высокоэнергетического n-типа полупроводника и свободные дырки из p-типа инжектируются в активный слой и рекомбинируют.

Рисунок 1: Механизм полупроводниковых лазеров (слева) и энергетические состояния электронов (справа)

Энергия, возникающая при рекомбинации, то есть энергия запрещённой зоны материала, подвергается фотоэлектрическому преобразованию для генерации лазерных колебаний. Запрещённая зона — это диапазон энергии, в котором отсутствуют электронные состояния, определяемый материалом полупроводника. Чем больше ширина запрещённой зоны, тем выше энергия световых колебаний.

После того как эта теория была предложена в 1950-х годах, всесторонняя разработка началась в 1960-х годах. Она началась с инфракрасного диапазона, который обладает меньшей энергией и большей длиной волны, и постепенно расширилась на области с большей энергией и меньшей длиной волны, такие как красный → зелёный → синий (рисунок 2). Впоследствии возникла растущая надежда достичь полупроводниковых лазеров в ультрафиолетовом диапазоне с ещё большей энергией. Однако для достижения этой цели необходимо производить высококачественные полупроводниковые материалы с большой шириной запрещённой зоны более 3 электронвольт (эВ) и инжектировать большие токи, создающие оптическое усиление, чтобы возбудить лазер в режим колебаний.

Рисунок 2: Виды света и область, еще не реализованная полупроводниковыми лазерами

С этой целью исследователи по всему миру соревновались в разработке длинноволновых ультрафиолетовых полупроводниковых лазеров в диапазоне 320–380 нм (нм = одна миллиардная часть метра), которые были разработаны в 2003 году, и коротковолновых ультрафиолетовых лазеров ниже 280 нм в 2019 году. Последней нереализованной областью является полупроводниковый лазер UV-B в средневолновом диапазоне 280–320 нм, широко известный как причина солнечных ожогов. Решение этой задачи представляет проект «Реализация глубоких ультрафиолетовых полупроводниковых лазеров и исследование сверхвысококонцентрированных примесей/поляризованных полупроводников», возглавляемый в рамках программы CREST «Новое поколение фундаментальных оптических технологий на основе новых световых функций и свойств», главным исследователем которого является профессор Мотоаки Иванага из факультета науки и инженерии Университета Нагоя.

Иванага является одним из студентов доктора Исаму Акасаки (который скончался в 2021 году), получившего Нобелевскую премию по физике 2014 года за "изобретение высокоэффективных синих светодиодов, позволяющих создавать яркие источники белого света с низким энергопотреблением". Иванага находился под руководством доктора Акасаки более 20 лет начиная с университетских лет. Иванага говорит, что доктор Акасаки научил его многим вещам, включая его взгляды на технологии и исследования, психологическую подготовку как исследователя, методы мышления и подходы, а также аналитические перспективы. "Он читал все мои статьи и давал точные комментарии и предложения строка за строкой. Без преувеличения, если бы я не встретил доктора Акасаки, я бы не начал исследовательскую карьеру" (Иванага).

В области физики электронных материалов изначально считалось, что невозможно создать полупроводниковые лазеры среднего ультрафиолетового диапазона. Это связано с тем, что для полупроводниковых лазеров требуются полупроводниковые материалы с шириной запрещённой зоны 3,8–4,4 эВ, однако материалы с шириной запрещённой зоны более 3 эВ обладают высокой изоляцией. Иными словами, необходимо пропускать через непроводящий материал большой ток, необходимый для лазерной генерации, — это представляется неразрешимой дилеммой. Кроме того, для создания стабильных полупроводниковых лазеров необходимо разработать новые материалы с малым количеством кристаллических дефектов и высоким качеством.

Исходя из этого общепринятого мнения о том, что такая цель недостижима, большинство исследователей не проводили исследований в области полупроводниковых лазеров среднего ультрафиолетового диапазона. Однако Ивата полагал: «Если мы собираемся это сделать, то должны бросить вызов проблеме, которую другие не могут решить», и поэтому смело решил принять этот вызов. Хотя он пробовал разрабатывать различные материалы разными методами, каждая попытка заканчивалась неудачей, и его решимость постепенно ослабевала.

После нескольких лет исследований Ивата решил отказаться от идеи и поделился этим с доктором Акасаки. Ивата вспоминал, что при услышании этой новости доктор Акасаки, обычно мягкий, внезапно разгневался. Он сказал: «Твоя решимость ограничивается только этим? Ты вовлек столько студентов; сможешь ли ты взять на себя ответственность? Если ты откажешься по этой причине, лучше вообще не заниматься исследованиями». С этого дня Ивата возобновил свой вызов.

Достижение самого высокого качества AlN в мире
путем изготовления слоя AlGaN с помощью трехмерного роста

Таким образом, компания Iwatani расширила свои исследования на различные области, выдвинула все возможные гипотезы и опробовала различные методы и материалы для разработки. Было изготовлено сотни прототипов образцов. После многократных проб и ошибок, наконец, около 2014 года, через четыре года после возобновления исследований, начали ощущаться результаты. Начиная с того момента, когда CREST принял некоторые идеи в 2016 году, определенные концепции постепенно обрели форму. В частности, это: 'высокотемпературный отжиг нитрида алюминия (AlN), полученного методом распыления', 'изготовление высококачественного нитрида алюминия-галлия (AlGaN) посредством трехмерного роста' и 'легирование за счет поляризации' (Рисунок 3).

Рисунок 3: Поперечное сечение полупроводникового лазера и три прорывные технологии, используемые в каждом слое

Для формирования n-типа эмиттера с целью получения высококачественных кристаллов AlGaN изначально применялся метод двумерного роста кристаллов. Однако в процессе роста образуются многочисленные трещины в кристаллах и дефекты решетки, известные как дислокации, что делает невозможным получение высококачественных кристаллов, способных выдерживать лазерную генерацию. Как правило, наличие трещин и дислокаций снижает световую отдачу; поэтому пороговое значение для оптически накачиваемых лазеров не достигло ожидаемого значения 210 кВт/см².

Ранее подложка и выращенный на ней кристалл требовали совпадения параметров решетки, таких как длина оси и угол. Рассогласование решетки более 1% делало невозможным получение высококачественных кристаллов. При разработке синих светодиодов доктор Акасаки также столкнулся с той же проблемой; для её решения он разработал технологию буферного слоя низкотемпературного осаждения. Это метод выращивания кристаллов нитрида галлия (GaN) после осаждения нитрида алюминия (AlN) на сапфировую подложку. В результате были получены плоские кристаллы GaN с малым количеством дефектов, что привело к успешному изобретению синих светодиодов.

Хотя методы трехмерного роста редко используются в исследованиях материалов на основе AlGaN, Иваки последовал подходу доктора Акасаки при изготовлении кристаллов. Иваки использовал технологию получения высококачественного AlN, разработанную профессором Хидехито Мияке из аспирантуры по исследованиям регионального инновационного развития университета Миэ, которая в последние годы получила широкое применение как метод изготовления шаблонов AlN для УФ-светодиодов. Используя метод распыления, при котором плазма азота сталкивается с AlN в качестве сырья, а выбитые молекулы оседают на подложке, пленки AlN были нанесены на сапфировую подложку. Изготовленные кристаллы накапливались в микрокристаллическом состоянии, но благодаря термической обработке при температуре 1700 °C удалось получить высококристаллическую пленку AlN с очень малым количеством кристаллических дефектов (рис. 4).

Рисунок 4: Изменения в AlN после высокотемпературной термообработки

Компания Iwatani использовала этот AlN в качестве шаблона и вырастила на нём AlGaN в трёх измерениях (Рисунок 5). Между AlN и AlGaN также существует значительное несоответствие решётки более 1%, поэтому процесс не был гладким, и были опробованы различные условия. Иватаи улыбнулся и сказал: «Разработка заняла около 3 лет, но благодаря усилиям студентов пороговая плотность мощности лазера с оптической накачкой снизилась примерно до одной седьмой от значения при двумерном росте, то есть до 36 кВт/см²». Теперь разработан метод дальнейшего снижения этого показателя вдвое.

Рисунок 5: Процесс получения высококачественного AlGaN с использованием метода трёхмерного роста

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。

Рисунок 6: Градиент состава p-типа оболочки

В данном исследовании был применен поляризационный легирование к p-типу слоев оболочки, изменив состав материала AlGaN для постепенного изменения величины поляризации (рис. 7). Это позволило распределить фиксированные заряды, индуцированные поляризацией. В 2019 году одновременно были достигнуты инжекция тока для лазерной генерации и формирование оптического резонатора. Используя новый подход, не встречающийся в традиционной полупроводниковой инженерии, мы преодолели ранее считавшийся невозможным вызов «заставить непроводящие материалы проводить ток».

Рис. 7: Поляризационное легирование (градиент состава Al)

Оценка при комнатной температуре прототипов устройств, изготовленных с использованием этих трех методов, подтвердила, что они могут обеспечить режимы излучения света и спектр, характерные для полупроводниковых лазеров (рис. 8, 9). Поэтому Иватаи объявил в феврале 2020 года об изобретении первого в мире полупроводникового лазера среднего ультрафиолетового диапазона. Он вспомнил, что до публикации статьи он неоднократно отвечал на вопросы рецензентов. "Поскольку это было первое в мире достижение, естественно, возникали вопросы о том, действительно ли это было достигнуто. Я предоставил множество доказательных документов, и когда, наконец, работа прошла рецензирование, я, конечно, очень обрадовался."

Рисунок 8: Оцилляция лазера UV-B (слева) и спектр излучения лазера UV-B во время оцилляции (справа)

Рисунок 9: Оцилляция лазера UV-B

Это изобретение вызвало сенсацию сразу после его объявления как внутри страны, так и за рубежом. Разработка инновационных полупроводниковых компонентов была высоко оценена как достижение, имеющее огромное значение не только для науки о росте кристаллов, но и для развития полупроводниковой инженерии; академические общества и крупные средства массовой информации широко освещали это событие. Можно сказать, что оно осветило будущее оптической науки и полупроводниковой инженерии.

Полупроводниковый лазер, разработанный в рамках этого проекта, имеет широкий спектр применений и значительное влияние. По сравнению с газовыми и твердотельными лазерами, работающими в том же диапазоне длин волн, он обеспечивает существенную миниатюризацию, снижение энергопотребления, увеличение срока службы и уменьшение стоимости. Обычные газовые лазеры имеют размер от 1 до 2 метров, тогда как полупроводниковые лазеры составляют примерно 1 сантиметр — менее одного процента от этого размера. Потребление энергии также составляет около одного процента от потребления газовых лазеров, а срок службы достигает примерно в 100 раз больше, увеличиваясь с 100 часов до 10 000 часов.

Если будет достигнута массовое производство, цены также снизятся, потенциально упав ниже одной стотысячной части цен на газовые лазеры. Ивата подчеркнул: «История показала, что новое открытие может изменить мир за одну ночь. Если устройства, использующие этот лазер, станут широко распространенными, они должны позволят исследовать миры, ранее невидимые». В областях медицины и биологии высока вероятность реализации секвенаторов ДНК для анализа последовательностей оснований ДНК и других исследований и медицинских приложений, которые были невозможны с лазерами других диапазонов длин волн.

Кроме того, путем изменения кристаллического состава ожидается генерация лазеров во всех длинах волн в среднем диапазоне длин волн; совместные исследования с университетами и компаниями как внутри страны, так и за рубежом уже начались. Ивата находится на переднем крае этих исследований, сосредоточенный на следующей эре и активно занимающийся дальнейшими исследованиями технологических инноваций. Он всегда помнит девиз покойного доктора Акасаки: «Результаты, которые могут переписать учебники, являются супер-первоклассными исследованиями».

Оригинал: JSTnews Майский выпуск
Источник редактора перевода: Редакция JST Объективный Япония