ÜLEVAADE: siniste valgusdioodide ja laserite roll pooljuhtide valdkonnas
Baseerudes põhiliselt pooljuhil GaN, on need seadmed toonud meile Blu-ray plaadid, valge valgusega LED-lambid ja palju muudki.
Juba ammustest aegadest on teada, et omades punast, rohelist ja sinist valgust, on nende põhivärvide abil võimalik konstrueerida mis tahes värvust. Vanades kineskooptelerites kasutati värvide saamiseks erinevaid luminofoore, uuemates LCD-ekraanides aga vastavaid filtreid.
Kuid kõik need seadmed olid ja on üsna suured energiaõgardid, sest isegi tänapäevane LCD-ekraan tarbib täisvõimsust sõltumata sellest, kas näitab parasjagu heledat või tumedat pilti.
Muidugi ei saa seda energiatarvet võrrelda vanamoodsa kineskoopteleri omaga, kuid ikkagi võiks see palju väiksem olla. Eks sama lugu ole ju ka valgustusega, kus enamus energiast läheb paratamatult lihtsalt õhu soojendamiseks. Ei aita siin ka kuulsad säästupirnid, mis küll vähendavad energiakulu, kuid jäävad ikkagi üsna ebaefektiivseteks valgusallikateks.
Seega tuli eelkõige energia kokkuhoiu mõttes leida uusi lahendusi. Aga eks sinist (ja ka ultraviolettkiirgust) kiirgavaid valgusallikaid igatsesid ka paljud teised rakendused.
Kõige käegakatsutavam kasu sinisest valgusest tõusis kindlasti seoses informatsiooni salvestustihedusega infokandjaile. Siin on asjad üsna lihtsad: mida lühemalainelisem (sinisem) on valgus, seda väiksemaks täpiks on seda võimalik koondada.
Kui esimesed CD-plaate kirjutavad seadmed kasutasid tollaseid infrapunases piirkonnas kiirgavaid pooljuhtlasereid, mille lainepikkus oli 780 nm ning mis suutsid toorikule mahutada vaid umbes 650 MB andmeid, siis järgmine põlvkond salvesteid (DVD) olid suutelised juba hulga tihedamaks soorituseks ning seda tänu pooljuhtlaseritele, mis kiirgasid nähtavat punast valgust.
Loogiline, et sinine pooljuhtlaser tõi salvestustihedusse suure muutuse, kui peaaegu samale toorikule võib nüüd Blu-ray seadmetega kirjutada tervelt 25 GB andmeid kihile.
Kuidas aga sündisid need sinised laserid?
Veidi ajaloost
Valgusdioodid ning pooljuhtlaserid tähistavad tänavu 50. juubelit. Võib julgelt öelda, et pooljuhtmaterjalidest kiirgajate tulek sai võimalikuks tänu GaAs-i (galliumi ja arseeni ühend) monokristallide kasvatamisel saavutatud läbimurdele.
GaAs-monokristallidest saetud alusplaadid jäid pikaks ajaks valgusdioodide ja ka laserite vundamendiks. Esimesed valgusdioodidki valmistati just sellest materjalist ning need kiirgasid infrapunast kiirgust, mida inimsilm paraku ei näe.
Kiirguse lainepikkuse määrab suuresti ära kasutatava pooljuhtmaterjali keelutsooni laius ja GaAs-il on see üsna väike. Muidugi saab keelutsooni laiust suurendada, kui kasutada GaAs-i ja GaP-i (galliumfosfiid) sulamit ja eks nii sündisid ka esimesed punast valgust kiirgavad valgusdioodid.
Palju keerukamaks osutus aga rohelise (ning muidugi ka sinise) valguse saamine. Aastal 1968 õnnestus GaP-materjalile lämmastiku lisamisega valmistada esimesed rohelised valgusdioodid, kuid need osutusid äärmiselt ebaefektiivseteks.
Ometi andsid need esimesed rohelised valgusdioodid tõuke kolmevärviliste (punane, roheline, sinine) lamedate TV ekraanide ideele. Puudu oli ju vaid sinine värvus ning selle saamiseks tuli otsida mõnda veelgi laiema keelutsooniga ainet.
Esialgu prooviti materjali, millest juba 1907. aastal saadi esimest korda elektrivoolu toimel kollakat valgust – ränikarbiidi. Ränikarbiid (SiC) oli küll üsna laia keelutsooniga, kuid selle füüsikalised omadused ei lubanud valmistada efektiivseid valgusdioode.
Aastal 1968 algas aga uue materjali võidukäik. Selleks sai GaN (galliumnitriid). Et GaN-i baasil valgusdioodi valmistada, tuli kõigepealt leida moodus, kuidas temast saada õhukesi kilesid.
1969. aastal õnnestuski kasvatada esimesed epitaksiaalsed (epitaksia – teise kristalli pinnale kasvatatud monokristall) GaN-kiled, kuid sellega probleemid veel ei lahenenud. Epitaksiaalsed ehk monokristallilised kiled nõuavad nimelt head alusmaterjali.
Loomulikult oleks parim alusmaterjal olnud monokristalliline GaN ise, kuid tol ajal ei osanud keegi piisava kvaliteediga monokristalle kasvatada. Seetõttu kasutati esimestes eksperimentides safiiri monokristalle. Safiiri kristallvõre erineb aga tunduvalt GaN omast ning seetõttu tekkis GaN-kiles hulgaliselt defekte. Igasugune defekt kiirgavas materjalis on aga äärmiselt ebasoovitav.
Vaatamata kõigele suudeti 1971. aastal valmistada esimene rohelist valgust kiirgav LED siiski GaN-i baasil ja juba järgmisel aastal sündis ka sinine LED, mis muide kiirgab laboris tänini. Ometi jäid need uuringud pikaks ajaks soiku.
(Fotol sinine valgusdiood ehk LED, mis kiirgab lainepikkusel 405 nm.)
Uus tõus algas 20 aastat hiljem, kui Poola teadlased kasvatasid esimesed kõrgekvaliteetsed GaN-monokristallid ning kui Shuji Nakamura Nichia korporatsioonist Jaapanis modifitseeris tavapärase epitaksiaalkasvatuse ning valmisid esimesed tõeliselt töökindlad ja heledad sinised valgusdioodid.
1996. aastal demonstreeris Nakamura aga esimest sinist pooljuhtlaserit. Sellele edule eelnes aastaid rasket ja tihtipeale ka motiveerimata tööd erinevate pooljuhtmaterjalidega.
Üllatav on sealjuures see, et enamik ka tänapäeval müüdavatest sinistest laserdioodidest on valmistatud ikka safiirist alustele. Füüsikud ei suuda siiamaani seletada, miks nii defektirikas GaN ikkagi edukalt töötab. Ka Nakamura ise ei suuda oma imestust varjata selle oivalise materjali üle.
Aastast 2002 lõid Sony ja Nichia ametlikult käed ning algas siniste valgusdioodide ning pooljuhtlaserite tormiline arendus. Juba järgmise aasta aprillis sündis esimene Blu-ray kirjutaja Sony BDZ-S77 (soovitusliku hinnaga 3900 dollarit).
Loomulikult läks veel aastaid, enne kui jõuti üksmeelele formaadis, millega tuleks andmeid ja filme Blu-ray plaadile kirjutada.
Valge valgus
Siniste valgusdioodide üle rõõmustasid muidugi ka teised tootjad, kel avanes nüüd võimalus tõeliselt efektiivsete valgusallikate loomiseks.
Kõige tõhusam ja lihtsam viis valget valgust saada on kombineerida erinevaid luminofoore ning ergastada neid siis sinise valgusdioodiga.
Parimaks luminofooriks on seni osutunud YAG:Ce3+, mis üllatab eriti tugeva kollase kiirgusega. Kombineerides seda kollast tooni valgusdioodi sinise värvusega, saabki üsna päevavalguse moodi valgusvihu.
Muidugi leidub hulgaliselt kasutajaid, keda selline "kombineeritud" valge ei rahulda, sest tegelikus päikesespektris, mida me kõik peame loomulikuks valguseks, esinevad ikka kõik värvid ja mitte vaid sinine ja kollane.
Tahtmatult tundub selliste valgusallikate valgus meile külmana ja aja jooksul kipub ta veelgi külmemaks muutuma, sest kollase luminofoori kiirgus hakkab aja jooksul vähenema ning valgusdioodi sinine värvus pääseb üha enam esile.
Täpselt sama puudus on ju ka meile nii tuttavatel päevavalguslampidel, mille valguses ükski normaalne inimene ennast näha ei taha. Üldjuhul on siiski võimalik kasutada lähedases ultraviolettvalguse piirkonnas (395–405 nm) kiirgavaid LEDe ja erinevate luminofooride segu. Uuringutes on aga ilmnenud, et mida punasema kiirgusega on luminofoor, seda vähem see vastu peab. Seda me ju aga ei soovi.
Loomulikult on katsetatud ka mitmevärviliste valgusdioodidega, mis kiirgaksid kolme põhivärvi: sinist, rohelist ja punast. Erinevatest materjalidest valmistatud valgusdioodid aga nõuaksid üsna keerukat elektronskeemi, mis reguleeriks nende kolme valgusdioodi intensiivsust. Kahtlemata teeks selline lahendus valgusallika enda liiga kalliks.
Teine võimalus on kasvatada erinevate paksustega InGaN-i/GaN-i kihte teineteise peale. Üks õhuke pooljuhtmaterjali kiht teiste omataoliste vahel moodustab erilise kvantkaevu, kust väljuva kiirguse värvus sõltub otseselt kvantkaevu mõõtmetest ehk kihi paksusest.
Praegusel ajal kasutatavad epitaksiaalkasvatuse meetodid võimaldavad erinevate pooljuhtmaterjalide kihtide paksust väga täpselt reguleerida ning seetõttu on võimalik ühes valmistamistsüklis kasvatada korraga mitmeid lainepikkusi kiirgavaid struktuure.
Viimastel aastatel on arenenud ka InGaN-i (indiumgalliumnitriid) nanotraatide kasutamine luminofoormaterjalidena. Ka kõige paremad luminofoorid ei suuda täielikult ergastuseks kasutatud sinise valgusdioodi valgust ära kasutada, kuna osa kiirgust isegi ei neeldu nendes ja osa läheb lihtsalt soojusena kaduma.
See kaotsiläinud valgus on enamasti tingitud defektidest luminofooris. Mida rohkem on defekte, seda ebaefektiivsem meie luminofoor on.
Nanotraadid kujutavad aga endast ülipeeni (läbimõõduga umbes 10 nm) ja suhteliselt pikki kristalle, mis on nii täiuslikud, et võib lausa öelda, et need on defektidest vabad.
Varieerides sellistes nanotraatides Ga ja In-i suhet, võime valmistada traadid, mis kiirgavad kogu nähtavas spektripiirkonnas ja teoreetiliselt peaks olema võimalik simuleerida päikesekiirgust ennast.
Tegelikult polegi momendil veel teada, milline tehnoloogia meile tulevikus selle valge valguse tubades tagab, kuid üks on küll selge – see valgus saab olema genereeritud siniste valgusdioodidega.
Pildid seinale
Mäletatavasti algas siniste valgusdioodide arendustöö just soovist asendada kohmakad ja rasked kineskooptelerid millegi palju efektiivsemaga.
See soov on tegelikult siiani täitmata, sest vahepeal on kodudesse jõudnud LCD- ja plasmatelerid. Ja võib-olla sooviks see jääbki, sest milleks üldse telerit vaja on, kui video-ja telepilti võib edukalt näidata suvalisel pinnal.
Olemasolevad videoprojektorid on selleks ehk liiga lärmakad ja ka ebamugavad, kuid tänu sinistele pooljuhtlaseritele on võimalik realiseerida tõelist kolmevärvilist laserprojektsiooni ning seda väga kompaktsel ning efektiivsel moel.
Selliste imepisikeste laserprojektorite südameks on tilluke peegel, mida kallutades saab laserikiiri ridade haaval ekraanile projitseerida ning videopilt ongi nähtav. Projektori võib paigutada kas või nutitelefoni või valmistada see eraldiseisva portatiivse seadmena, mis mahub kenasti ka taskusse.
Olgugi et sellised seadmed on juba aastaid müügil, pole need veel saavutanud piisavat populaarsust, sest tihtipeale jätab pildi kvaliteet veel soovida. Aga eks areng käib ka selles suunas.
Täna ei oska me võib-olla ettegi näha kõiki neid võimalusi, mida sinised valgusdioodid ning laserid tulevikus veel toovad. Aga füüsikud vaatavad juba spektriosa veelgi kaugemate piirkondade poole.
Vähemalt teoreetiliselt on olemas materjal, mis võiks kiirata juba päris kauges ultravioletses piirkonnas – 200 nm juures. See on AlGaN (alumiiniumgalliumnitriid), millega seni on suudetud saavutada kiirgust lainepikkusega 336 nm.
Kindlasti toob juba lähiaeg läbimurde ka selliste laserite uurimisel ning võib-olla mõne aasta pärast tuleb meil rääkida juba UV-plaatidest ja ultravioletsest unistusest. Elame, näeme!
Jälgi Forte uudiseid ka Twitteris!
