Rozmowa z docentem Piotrem Perlinem z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN w Warszawie

Byliśmy ostrożni w deklaracjach, gdyż obawialiśmy się, że posiadane przez Instytut urządzenia do montażu struktur, bazujące na pracy ręcznej, uniemożliwią nam spełnienie bardziej ambitnych kryteriów. Tak sformułowany warunek pracy ciągłej lasera z pewnością może się wydawać wielu osobom mało ambitny, ale w praktyce jest to naturalny punkt kontroli rozwoju technologii, na drodze od laserów impulsowych do lasera pracy ciągłej.

W tamtym okresie domyślaliśmy się, że kłopoty z odprowadzeniem ciepła ze struktury lasera były przyczyną większości naszych problemów z uzyskaniem dużej mocy wyjściowej oraz zapewnieniem długiego działania laserów przy pracy ciągłej. To one spowodowały szereg opóźnień, dlatego ostatecznie kupiliśmy profesjonalny die-bonder, czyli urządzenie do precyzyjnego montażu struktur metodą lutowania eutektycznego na podkładkach diamentowych. To był niewątpliwie przełom w konstrukcji naszych laserów CW, gdyż sama zmiana sposobu montażu automatycznie zapewniła kolosalną poprawę parametrów. Pierwsze demonstracje lasera pracy ciągłej, tego montowanego starymi sposobami, dawały czas życia tego elementu na poziomie 20 minut, aktualnie czas życia sięga 1000 godzin przy wielokrotnie większych mocach wyjściowych.

• Czy maszynowy sposób montażu struktur zamiast ręcznego rozwiązał wszystkie największe problemy technologiczne?

Urządzenie montażowe niewątpliwie nam pomogło, ale nie rozwiązało wszystkich problemów, które stoją na drodze do produkcji. Naszym celem jest zaoferowanie laserów o dużej mocy, gdyż uważamy, że w tym sektorze rynku mamy największe szanse na powodzenie. Mamy znakomity materiał podłożowy, trwały i odporny termicznie i optycznie. Nasz azotek galu przez cały czas jest najlepszy na rynku i pozwala na uzyskanie parametrów, których nie ma w produktach innych firm. Chodzi tutaj o na przykład o jakość luster optycznych tworzących wnękę rezonatora optycznego, która w naszym przypadku jest bardzo dobra.

Mimo wysiłków, jakie podejmują zespoły naukowe i wiele firm na świecie w dalszym ciągu największy problem stanowią podłoża. Potencjał technologiczny i doświadczenie technologiczne firm takich, jak na przykład współpracujące ze sobą Sony i Nichia, jest ogromny. Wydaje się więc, że od strony konstrukcji i wykonania lasera firmy te nie powinny mieć wielkich kłopotów. Skoro więc przez cały czas nie udaje się im osiągnąć wystarczającej skali produkcji, aby była możliwa masowa produkcja napędów optycznych, to znaczy, że przyczyna leży w braku dobrych podłoży, które wciąż nie zapewniają dobrych uzysków. Trzeba uczciwie przyznać, że jakość produkowanych na świecie laserów cały czas się poprawia.

Rośnie czas życia, ale nadal mimo upływu czasu niewiele się zmieniło i dalej niebieskie lasery produkowane są na podłożach szafirowych, charakteryzujących się bardzo niejednorodnym rozkładem defektów. Nie zawsze jest możliwe usytuowanie struktury laserowej w miejscu gdzie tych defektów jest mało. Lasery wytworzone w obszarach o zwiększonej liczbie dyslokacji często mają identyczne parametry pracy jak te z obszarów bezdefektowych, lecz posiadają drastycznie krótszy czas życia. Mogą one być usunięte z partii produkcyjnej tylko na drodze testów niezawodnościowych Przy typowym teście czasu życia jednego lasera trwającym 100 godzin osiągnięcie skali produkcji 1 miliona sztuk miesięcznie nie jest proste. Dlatego w przyszłości lasery muszą być na tyle dobre, aby testowanie ograniczyć do wyrywkowo wyselekcjonowanych elementów, a droga do tego wiedzie przez jakość podłoży z azotku galu.

• Czym różnią się lasery produkowane na potrzeby napędów optycznych od tych, które opracował Instytut?

Lasery na potrzeby odtwarzaczy DVD produkuje się w nieco inny sposób niż te, którymi my się obecnie zajmujemy. Elementy te muszą mieć bardzo małą szerokość obszaru aktywnego (pasek laserowy), w przypadku Sony jest to szerokość1,4 – 1,7µm. Mały obszar zapewnia jednomodową pracę lasera i daje możliwość znacznego skupienia plamki. Nasze lasery mają dużą szerokość paska - około 20µm, co powoduje, że nasza technologia produkcji charakteryzuje się większą tolerancją wykonania. Mamy też podłoża GaN, w których gęstość dyslokacji jest o dwa rzędy wielkości mniejsza, dlatego pod względem technologii nasze lasery są łatwiejsze w wykonaniu, co przekłada się na większy uzysk. W przypadku zastosowań, do których chcielibyśmy produkować lasery, takich jak na przykład telewizja wielkoformatowa, wielomodowość pracy lasera nie jest problemem, istotne jest, aby element ten miał około 1W mocy CW i odpowiednio dużą trwałość. W tych zastosowaniach wiązki nie skupia się w ekstremalnie małą plamkę i można używać laserów szerokopaskowych.

• Czy oprócz podłoży wasza technologia ma jeszcze inne ważne atuty?

Warto zauważyć, że nasz Instytut jest pionierem w pracach nad laserami wytwarzanymi przy pomocy metody MBE - Molecular Beam Epitaxy – Epitaksja z Wiązek Molekularnych. Ta metoda pozwala na uzyskanie najlepszych czystości i dokładności. Do tej pory nie potrafiono tej metody użyć dla uzyskania wydajnych urządzeń optoelektronicznych opartych o materiały azotkowe. Nasze prace pokazały, że pod warunkiem użycia wysokiej jakości podłoży z GaN, udaje się uzyskać przy pomocy MBE naprawdę świetne rezultaty. Nasze lasery MBE są dużo lepsze od konkurencyjnego Sharpa, przełamując równocześnie wiele z japońskich patentów.

• Jakie najważniejsze zadania związane z niebieskim laserem czekają na rozwiązanie?

Naszym problemem jest konieczność wykonania podłoży o dużej powierzchni. Póki co wytwarzamy kryształy azotku galu o powierzchni ok. 1cm2 i grubości 0,1mm. Na jednej takiej płytce jesteśmy w stanie wykonać ok. 250 laserów, co na dzień dzisiejszy jest całkiem dobrym wynikiem. Docelowo widzę jednak konieczność doprowadzenia do sytuacji, że będziemy dysponować podłożami o średnicy 2 cali, co pozwoli na produkcję nawet do10 tysięcy laserów z jednej płytki. Otworzy to możliwość produkcji wielkoseryjnej i dostęp do rynków, w których cena jednostkowa przyrządu gra dużą rolę. Dodatkowo duże podłoża pozwalają na automatyzację wielu etapów produkcji, które dzisiaj, z racji małych rozmiarów kryształów, muszą być wykonywane ręcznie. A z pracą ręczną zawsze wiążą się pomyłki i błędy. Dlatego tendencje w przemyśle półprzewodnikowym od wielu lat są takie, że nawet przy małych uzyskach stosuje się duże podłoża po to, aby móc zautomatyzować produkcję.

Użycie małych podłoży prowadzi również do efektów brzegowych zarówno w na etapie epitaksji jak i processingu, co negatywnie wpływa na uzysk produkcyjny. Technologia wysokociśnieniowego hodowania kryształów jest technologią dającą najlepsze kryształy, lecz o ograniczonym rozmiarze około 1cm. Dlatego prowadzimy obecnie intensywne prace nad kombinacją naszej unikatowej technologii ciśnieniowej z niskociśnieniową metodą wzrostu tzw. HVPE. Ta ostatnia pozwala na szybki wzrost azotku galu z prędkościami nawet około 100µm na godzinę, co jest wartością bardzo dużą. Otwiera to drogę do wytworzenia kryształów azotku galu o dużych rozmiarach i bardzo niskiej ilości defektów. W przyszłości większe podłoża pozwolą też zająć się innymi typami laserów, na przykład wąskopaskowymi o dużej mocy, które potrzebne są dla potrzeb szybkiego druku cyfrowego.

• Do jakiego momentu doszliście w technologii laserów?

W normalnej sprzedaży oferujemy lasery impulsowe, które doprowadziliśmy do postaci produktów powtarzalnych i standardowych, które nieźle sprzedają się do wielu specjalistycznych aplikacji. Z ciekawszych zastosowań można tutaj wymienić laser polimerowy, gdzie nasze lasery o mocy 2,5W w impulsie zostały zastosowane do pompowania energii.

Lasery pracy ciągłej oferujemy jako próbki inżynierskie i nie traktujemy ich jeszcze jako gotowy produkt. W najlepszych elementach, które mamy osiągamy moc wyjściową 200mW przy napięciach progowych rzędu 5V i prądach progowych około 4kA/cm2. Pozostałe elementy mają moc przekraczającą 30-50mW. Żywotność tych laserów wynosi około 1000 godzin, co jest wielkością wymagającą poprawy. Uważam, że mimo to jest to dobry rezultat, gdyż pierwsze próbki lasera 200mW produkowanego przez firmę Nichia miały podobne parametry elektryczne przy żywotności 500 godzin. Aby laser pracy ciągłej można było zaoferować komercyjnie musi on mieć czas życia ok. 5000 godzin i napięcie progowe nieco poniżej 5V, nie jesteśmy zatem bardzo daleko od tego punktu.

• Jakie czynniki w największym stopniu wpływają na możliwość uzyskania dużej mocy wyjściowej lasera?

Moc wyjściowa naszych laserów w największym stopniu zależy od tego jak skutecznie udaje się nam odprowadzić ciepło ze struktury. W przypadku laserów niebieskich opartych na azotku galu wydzielającego się ciepła jest około 25 razy więcej niż w dla laserów podczerwonych wykonanych z arsenku galu. Napięcie pracy jest tutaj ponad dwukrotnie wyższe, a ilość nośników koniecznych do uzyskania laserowania w azotku galu jest 10 razy większa. Laser arsenkowo-galowy potrzebuje gęstości prądu na poziomie około 300A/cm², aby zalaserować, a azotkowo-galowy aż 3kA/cm²! Ciepła wydziela się zatem dużo i poprawa skuteczności jego odbierania przez obudowę jest aktualnie tym nad czym najbardziej się skupiamy.

Wykorzystujemy tutaj m.in. metody termowizyjne analizy rozkładu temperatury, współpracując ze Szkołą Główną Służby Pożarniczej. Nasze lasery o szerokim pasku przeznaczone do rozwoju technologii laserów wysokiej mocy, charakteryzują się oczywiście proporcjonalnie do swych rozmiarów większą wartością prądu progowego w porównaniu do wąskopaskowych laserów japońskich. Jest to dodatkowym utrudnieniem, gdyż na skutek tego my musimy usunąć zamiast 1W ciepła aż 4-5W. Po prostu w wąskim pasku lasera pożądaną gęstość uzyskuje się przy mniejszym prądzie zasilającym ten element.

Jestem optymistą i uważam, że jesteśmy bliscy osiągnięcia 1 wata mocy wyjściowej. Nasze struktury szerokopaskowe pracują przy relatywnie niskich gęstościach prądu nawet dla znacznych mocy optycznych. Efektywne działanie tych przyrządów w zakresie mocy optycznych 1W wymaga jednak konstrukcji nowej, zmodyfikowanej i zoptymalizowanej obudowy lasera. Ta nowa obudowa musi rozwiązać problem dyssypacji ciepła z lasera, jest to poważny problem techniczny, ale podobny do tych, które miały dawniej firmy produkujące lasery dużej mocy z arsenku galu. Na pewno można sięgnąć do ich doświadczeń np. przez nawiązanie kooperacji. Jest to problem niełatwy, ale za to dobrze znany. Myślimy również o produkcji laserów średniej mocy do 200mW o węższym pasku i klasycznej obudowie. Te lasery miałyby konkurować bezpośrednio z produktami japońskimi.

• Jakie są inne poza ciepłem ważne problemy konstrukcyjne, które decydują o jakości lasera?

Optymalizacja cieplnej struktury lasera jest drugim najważniejszym celem naszej pracy, obok rozwoju technologii większych podłoży, o której mówiłem wcześniej. Aby rozpocząć produkcję laserów na szerszą skalę trzeba dokonać wyboru optymalnej obudowy, która będzie w stanie zadowolić zarówno naszych klientów jak i zapewnić właściwą pracę przyrządu. Nie należy też zapominać o pracy nad optymalizacją wewnętrznej struktury lasera. Lasery azotkowe są skomplikowanym systemem fizycznym o wielu nietypowych właściwościach. Warto tu wspomnieć o potrzebie precyzyjnej inżynierii naprężeń mechanicznych w strukturze lasera, problemie gigantycznych wewnętrznych pól piezoelektrycznych sięgających MV/cm oraz fluktuacji i segregacji składu w warstwie aktywnej.

Zagadnienia te, na równi z problemami termicznymi, mają wpływ na niezawodność laserów i ich sprawność. Uważam, że dokonanie najważniejszych zmian w technologii umożliwiających masową produkcję laserów jest możliwe w ciągu dwóch lat. Oczywiście termin ten uważam za realny przy założeniu, że będą pieniądze na potrzebne w tym kierunku inwestycje, gdyż bez odpowiedniego wyposażenia, czego doskonałym przykładem jest die bonder do montażu struktur, nie ma co myśleć o wyjściu laserami CW poza laboratorium.

• Czy aktualna sytuacja na rynku, w której niebieskie lasery są produktem drogim i słabo dostępnym jest korzystna dla Instytutu?

To nie jest tak, że my się ścigamy z firmą Nichia lub też cieszymy się z tego, że na rynku nie ma jeszcze dostępnego w masowych ilościach lasera niebieskiego. Uważam, że z punktu widzenia rozwoju technologii azotkowej na całym świecie dobrze byłoby, aby takie lasery się już pojawiły. Spowodowałoby to wzrost tempa prac w całej niebieskiej optoelektronice, byłoby więcej pieniędzy na inwestycje i wyszlibyśmy wreszcie z tej początkowej fazy, gdzie inwestuje się wiele pieniędzy w badania i rozwój, a nie ma jeszcze efektów komercyjnych ze sprzedaży. Brak laserów w normalnych cenach powoduje też, że nie pojawiają się aplikacje je wykorzystujące. Skoro dioda laserowa o mocy 200mW produkowana przez firmę Nichia kosztuje obecnie 2000 dolarów, to jest to zaporowa cena, która zniechęca praktycznie wszystkich.

Brak podłoży o dużej średnicy i niskiej liczbie defektów powoduje, że mimo upływu wielu lat nie można powiedzieć, że na rynku jest firma, która w przyszłości stanie się niekwestionowanym liderem. Uważam, że w przyszłości rynek niebieskich laserów będzie wyglądał podobnie, jak stało się to w przypadku np. laserów czerwonych, gdzie obok siebie funkcjonują duże firmy takie jak np. Sony, Sharp i Toshiba i szereg mniejszych firm produkujących wersje specjalistyczne.

• Jakie inne problemy poza technicznymi wpływają na pracę nad laserami?

W naszym przypadku jednym z większych problemów jest dostęp do finansowania badań. Aby pójść za ciosem i zrobić ten ostatni krok z laserami CW potrzebujemy nie tylko pieniędzy, ale i zrozumienia co do sensowności ponoszenia takich nakładów. Brakuje u nas przekonania, że jeśli chcemy mieć nowoczesną technologię w elektronice musimy zacząć realnie wspierać firmy i inicjatywy naukowe się nią zajmujące. Nie ma ich wiele w porównaniu do innych krajów, dlatego uważam, że tym bardziej warto je pielęgnować. Tak robi, mniej lub bardziej skutecznie, cały świat i póki co nie ma efektywniejszego sposobu tworzenia know-how i komercjalizowania technologii, jak połączenie placówki naukowej i bazującej na jej kadrze spółki spin-off. W znakomitej większości przypadków to właśnie one, a nie wielkie koncerny tworzą innowacje.

Dziękuję za rozmowę.

Rozmawiał Robert Magdziak