دیودهای لیزری آبی گالیم نیترید در دمای اتاق

چند سال پیش، ناكامورا و همكارانش از صنایع شیمیایی نیكیا گزارش دادند كه دیودهای نور گسیل بسیار درخشانی به رنگ‌های زرد، سبز، و آبی تولید كرده‌اند؛ همچنین دیودی لیزری با نور آبی ساخته‌اند كه با جریان تپی و در دمای اتاق كار می‌كند. این عناصر از گالیم نیترید و مواد مربوط به آن ساخته شده‌اند.
این تحقیقات، كه حركت مهمی در مرز فیزیك كاربردی به شمار می‌رود، نه در یك مؤسسه یا دانشگاه عظیم، بلكه در مؤسسه‌ای متوسط انجام شده است. یكی از نتایج این پژوهش‌ها این بوده است كه GaN و مواد وابسته را، كه پیش از این در متن كارهای ماده چگال قرار نداشت، وارد متن كرده است. نتایج كاربردی این پژوهش‌ها نیز بسیار زیاد است. شاید روزی برسد كه دیودهای لیزری و دیودهای نورگسیل جایگزین روشنایی دهنده‌های متعارف (مثل لامپ التهابی و لامپ فلوئورسنت) شوند. در ژاپن برنامه‌ای در جریان است كه به طور آزمایشی در چراغ‌های راهنمایی به جای لامپ‌های معمولی از دیودهای نوگسیل استفاده شود. برق مصرفی این دیودها یك چهارم لامپ‌های معمولی است. عمرشان هم قاعدتاً در حدود ده سال است، در حالی كه لامپ‌های معمولی را سالی یك بار عوض می‌كنند. این جایگزینی ابزارهای روشنایی حالت جامد به جای لامپ‌های معمولی كاملاً شبیه جایگزینی ترانزیستور به جای لامپ‌های خلأ است. كاربردهای دیگر این ابزارها ممكن است در مونیتورهای تخت، دستگاه‌های تكثیر رنگی، روبندهای رنگی، ابزارهای نوری ذخیره كننده داده، و پزشكی باشد.
دست كم از 25 سال پیش مسابقه‌ای برای دست یابی به ابزارهای نور گسیل حالت جامد در جریان بوده است. توجه عمده شركت‌های بزرگ در این مورد به تركیبات II-VI (مثلاً ZnS، ZnSe و ZnMgSS) معطوف بوده است. اما اشكال عمده این است كه این تركیبات معمولاً بسیار شكننده‌اند و به خاطر انتشار نقص‌های بلوری و مشكلات دیگر، عمر مفید ابزارهایی كه با اینها ساخته می‌شود حداكثر چند ساعت است، در حالی كه حداقل عمر تجارتی برای بیشتر ابزارهای الكترونیكی ده سال است. تازه اخیراً در حل این مشكلات پیشرفت‌هایی حاصل شده است.
گالیم نیترید در دهه 1970 مطرح شد و تحقیقات درباره آن، ازآن زمان در مقیاسكوچكی ادامه داشته است. اما برای استفاده مؤثر از آن لازم بود اول سه مشكل عمده حل شود: یكی مشكل نبودن زیر لایه مناسبی كه با ساختار بلوری GaN سازگار باشد، دیگری مشكل همرفت گرمایی كه ناشی از دمای بسیار زیاد (بیش از ℃1000) فرآیند رشد است و سرانجام مشكل آلایش GaN با ناخالصی‌های نوع p.
امروزه در بیشتر پژوهش‌ها از زیر لایه یاقوت استفاده می‌شود ناكامورا برای حل مشكل همرفت گرمایی از یكی از اختراعات قبلی خود استفاده كرده است. در رآكتور او یك جریان كمكی بخار وجود عمود دارد كه در جهت عمود بر زیر لایه به آن دمیده می‌شود و به رشد كمك می‌كند. در مورد حل مسئله آلایش با ناخالصی P، ناكامورا توجه كرد كه همه پژوهشگران GaN با نمونه‌های خود در جو آمونیاك كار كرده‌اند. اما آمونیاك در دمای حدوداً ℃500 تجزیه می‌شود و هیدروژن اتمی تولید می‌كند كه فرایند آلایشی را دشوار می‌كند.
ناكامورا به جای آمونیاك از گاز نیتروژن استفاده كرد و توانست GaN با ناخالصی مؤثر P بسازد. به این ترتیب دیودهای نور گسیل آبیی ساخته شد كه در حدود 200 بار درخشانتر از دیودهای قبلی بودند.
گام بعدی تهیه دیود لیزری آبی GaN بود. نخستین دیود لیزری آبیی كه تهیه شد، جریان و ولتاژ آستانه بزرگی داشت، A7ر1 و V35. این اعداد برای مقاصد تجاری خیلی بزرگ‌اند.
ضمناً این لیزرها تپی‌اند نه پیوسته. علاقه دیگری كه وجود دارد تهیه لیزرهای نور پیوسته حالت جامد است. در مورد مشكل آستانه، ناكامورا موفق شده است كه آستانه‌های جریان و ولتاژ را به mA200 و V20 برساند.
یكی از كاربردهای لیزر آبی در CD-ROM و اباره‌های مغناطواپتیكی داده‌هاست: چون طول موج نور آبی كوتاه‌تر از طول موج قرمز است. بااستفاده از نور آبی به جای نور قرمز ظرفیت این ابزارهای در حدود چهار برابر می‌شود. به علاوه، بازده لیزرهای حالت جامد به همین شكل فعلی در حدود 35% است، كه بیش از بازده لامپ‌های فلوئورسنت است. با تولید لیزر، و دیود نور گسیل آبی، طیف نوری كه ابزارهای حالت جامد می‌گسیلند در ناحیه مرئی كامل می‌شود و می‌توان با این ابزارها روشنایی نور سفید هم تولید كرد.