Je leest:

Doorbraak in productie blauwe diodelasers

Doorbraak in productie blauwe diodelasers

Auteur: | 20 februari 2004

Het Britse laboratorium van elektronicagigant Sharp in Oxford ontwikkelde een nieuwe productiemethode voor blauwe laserdiodes, waardoor de kostprijs van zo’n laser een factor duizend kan dalen. Dit zou een doorbraak betekenen in de ontwikkeling van betaalbare apparatuur voor het afspelen van de nieuwe generatie DVD’s met zeer hoge opslagcapaciteit.

Een hele dag voor de buis hangen zonder DVD te wisselen – wie goed in de slappe was zit kan zich die luxe veroorloven. Negen belangrijke elektronicaproducenten, waaronder Sony, Sharp en Philips hebben onder de naam Blu-ray een systeem ontwikkeld waarmee het mogelijk is twaalf uur videobeeld vast te leggen op een nieuwe type DVD-schijf, die op één zijde ruim 27 gigabyte aan informatie kan bevatten. Dat is een flinke stap voorwaarts vergeleken met de CD (0,7 gigabyte) en de DVD (4,7 gigabyte). De motor voor die ontwikkeling is trouwens niet zozeer het gemak van zes films op één schijf als wel de mogelijkheid High Definition TV-beeld op te slaan. Daarvoor is een hoge informatiedichtheid een eerste vereiste: de Blu-ray kan ongeveer twee uur van dat superscherpe trillingsvrije high-tech beeld opslaan. Het kost wel een paar centen: ongeveer dertig euro voor het schijfje en meer dan het tienvoudige voor de recorder.

bron: SLE

Dat Blu-ray zo duur is heeft onder andere te maken met de laser die het schijfje leest en beschrijft. Aan het blauwe licht van die laser heeft het systeem zijn hoge informatiedichtheid te danken. Het licht heeft een golflengte van 405 nm, waar de rode lasers in de huidige generatie CD-ROM en DVD spelers een golflengte van 650 nm hebben. ‘Gewone’ CD-spelers hebben lasers met een golflengte van 780 nm. Hoe korter de golflengte van het gebruikte licht, hoe kleiner de putjes in de schijf kunnen zijn en hoe meer er op een schijfje passen; de opslagcapaciteit is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de golflengte.

Blauwe diodelaser van het Japanse bedrijf Nichia.
Nichia

De blauwe laserdiode in de huidige generatie Blu-ray recorders kost om en nabij de duizend euro. Grootschalige massaproductie kan nog een flinke prijsverlaging betekenen, maar echt goedkoop zullen ze niet worden. De nu door Sharp Laboratories of Europe (SLE) in Oxford ontwikkelde techniek maakt wel low cost blauwe diodelasers mogelijk, zo claimt het bedrijf.

Sharp heeft een manier gevonden om blauwe lasers te produceren met dezelfde techniek waarmee nu ook de goedkope rode lasers van de CD- en DVD-spelers worden gemaakt: MBE; Moleculair Beam Epitaxy. De blauwe lasers worden vervaardigd met het MOCVD-proces. MOCVD staat voor Metal Organic Chemical Vapour Deposition.

Experimentele blauwe laser vervaardigd met de nieuwe SLE MBE-technologie. Beeld: SLE

Zowel MBE als MOCVD zijn technieken om zeer dunne laagjes halfgeleidermateriaal op elkaar te stapelen. Diodelasers danken hun laserwerking aan een geschikte combinatie van laagjes met verschillende elektronische eigenschappen. Als de laagjes netjes op elkaar liggen en de juiste dikte hebben, dan is het mogelijk om in één van die laagjes elektronen te stimuleren tot het collectief uitzenden van (laser)licht.

Schematische weergave van een laagjesstapeling die in een werkende laser resulteert.

De elektronische eigenschappen van de gebruikte materialen bepalen de golflengte van het laserlicht. Deze eigenschappen zijn min of meer in te stellen door de juiste ‘mix’ van atomen te kiezen. Voor de rode lasers gebruikt men laagjes met verschillende combinaties van indium, gallium, aluminium, arseen en/of fosfor. Blauw licht ontstaat bij gebruik van zink en selenium met cadmium, zwavel en magnesium; of bij combinaties van indium, gallium en stikstof.

Boven: overzicht van materialen die in principe geschikt zijn voor halfgeleiderlasers. Op de verticale as staat de bandgap of , een parameter die het energieverschil aangeeft tussen vrije geleidingselektronen en in de ‘valentieband’ gebonden elektronen. De kleur van het laserlicht hangt hier rechtstreeks mee samen. Op de horizontale as staat de lattice constant of roosterconstante, de afstand tussen de atomen in het kristalrooster. Onder: golflengtes en samenstelling van de lasers voor respectievelijk CD, DVD en Blu-ray. Bron: SLE

MOCVD

De zink-selenium aanpak leek lang de technologisch beste optie en oder andere bij Philips werd daar veel onderzoek naar verricht. Nadat de Japanse firma Nichia in 1996 liet zien dat met MOCVD hele goede indium/gallium/stikstof lasers te maken waren, is dat het voorkeursmateriaal geworden. Via een strategische alliantie met Sony neemt Nichia sinds 2002 deel aan het Blu-ray project.

MOCVD is een geschikte chemische techniek om dunne laagjes te fabriceren vanuit de gas- of dampfase. Men gebruikt relatief gemakkelijk verdampende verbindingen van metaalatomen met organische moleculen. Deze verbindingen stromen in een dragergas langs een heet substraat, waar de organische moleculen desintegreren en de vrijkomende metaalatomen zich laag voor laag in een kristalstructuur aan het oppervlak rangschikken. Door precies de juiste mix van verbindingen in de gasfase aan te bieden is de samenstelling van de laag nauwkeurig te beheersen. Hoewel Nichia het proces voor de productie van de blauwe laser heeft geperfectioneerd, kleven er een aantal nadelen aan MOCVD. Zo blijkt het lastig om de laserlaagjes overal precies even dik te maken en om een scherpe overgang tussen lagen met verschillende samenstelling te realiseren. Het gevolg is een tamelijk lage efficiëntie van de blauwe lasers. Ze vereisen een relatief hoge elektrische stroom en ze ‘slijten’ sneller door warmteontwikkeling. Verder introduceert het inbouwen van de stikstofatomen een lastig probleem. Ze zweven als ammoniak (NH3) in het dragergas van de MOCVD reactor. Als het ammoniak uiteenvalt om stikstof in de laag af te zetten, sluipt er waterstof in het kristalrooster. Dat moet er weer uit omdat het de laserwerking belemmert. De gebruikelijk manier om dat voor elkaar te krijgen is de laserdiode bij hoge temperaturen te ‘bakken’. Dit introduceert kleine scheurtjes die de levensduur van de laser verder reduceren. Precieze cijfers zijn niet vrijgegeven, maar de 10.000 uur die in de CD en DVD lasers gebruikelijk is, wordt niet gehaald.

MBE apparaat voor de productie van nitride-gebaseerde halfgeleiderlasers. Beeld: SLE

MBE

Het alternatief voor MOCVD is MBE, een fysische techniek waarbij ionenbundels in een vacuümkamer op een dragermateriaal worden geschoten. De ionen combineren aan het oppervlak van dat materiaal tot de gewenste kristallaagjes. Het MBE proces laat zich prima beheersen en er zijn scherpe, dunne laagjes mee af te zetten. Maar ook bij MBE vormde het inbouwen van stikstof (en het vermijden van waterstofinbouw) een probleem. De Sharp researchers hebben dat probleem nu opgelost, zo bleek vorige maand uit een publicatie in het technologietijdschrift Electronics Letters. Onderzoeksleider Jonathan Heffernan zette de Sharp-aanpak deze week in het tijdschrift New Scientist uiteen. De crux blijkt te liggen in een nauwkeurige beheersing van de substraattemperatuur. Voor ieder laagje moet de temperatuur binnen een ‘venster’ van tien graden ingesteld worden om een optimale depositie van materiaal te krijgen. Zit het er maar een beetje naast, dan werkt de laser niet. Zo ontwikkelden de Sharp-onderzoekers een stapsgewijze MBE-depositie met tien verschillende depositietemperaturen in het gebied tussen 650 en 1000 graden Celsius. Het grote voordeel van de MBE-methode is dat er honderd keer minder ammoniak voor nodig is vergeleken met de MOCVD techniek. Daarmee is het waterstofprobleem opgelost en hoeven de laserdiodes niet meer nagebakken te worden. Sharp claimt een hoge opbrengst van kwalitatief goede, goedkope lasers.

Concurrentie

Als Sharps blauwe MBE-laser inderdaad duizend keer goedkoper wordt dan Nichia’s MOCVD-exemplaar, dan komt de prijs in de buurt van de huidige CD-lasers (ca. 1 $) en DVD-lasers (ca. 2 $). Daarmee staat niets grootschalige introductie van de Blu-ray meer in de weg. Overigens is de Blu-ray niet de enige DVD-schijf met hoge informatiedichtheid. Een ander consortium met de Japanse elektronicagigant Toshiba maar ook JVC en Mitshubishi kondigde twee jaar geleden een HD-DVD schijfje aan waarop 30 gigabyte aan informatie past. Ook een blauwe laser om deze Advanced Optical Disc (AOD) af te lezen is al ontwikkeld. Toshiba introduceerde al samen met computerbedrijf NEC een DVD-rewriter voor in de computer en werkt samen met JVC aan HD-DVD recorders. Internationaal gezien is nog niet bepaald welk van de twee concurrerende technieken de uiteindelijke standaard voor de nieuwe generatie DVD’s zal worden.

Blu-ray schijf en recorder van Sony. Beeld: Sony

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 februari 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.