互动科普

蓝色激光CD技术

Robert L. Gunshor,  Arto V. Nurmikko

把半导体晶体调节到能发出蓝色激光并非轻而易举，但是其效果是十分值得期待的，其中包括在光盘上获得更大的存储空间。

一台CD或CD ROM播放机 内的关键设备是一个很小的但又强有力的激光器，它的作用是充当一枚极其尖锐的唱针。激光器使得播放机能在CD的表面读出以微小凹坑形式所存储的信息。（在下一代光盘播放机中，激光器还要通过在材料上制造出可逆的变化而在光盘上写下信息。）激光器所发射的光的波长限制了可存储在光盘上的坑的数量(因此也限制了数据的总量)；波长越短，可读出的坑越小。

目前，CD播放机中所安装的激光器是用砷化镓(GaAs)和相关的半导体制作的。这些化合物一旦受到激发就会发射波长大约为820纳米（十亿分之一米）的光。这些红外光所能读出的坑的尺寸不能小于大约1微米，大约相当于人的头发直径的五十分之一。就象Alan E. Bell在前面一篇文章中所介绍的那样，正在研究开发新的光盘格式，这种格式利用红色半导体激光器的突破性成果，能够增加信息密度。但是，发射波长为460纳米的蓝色二极管激光器能做得更好，因为它们能读出小得多的坑。用这些更小的坑进行标记，一张音频CD光盘就不是只存储一首，而是所有9首贝多芬交响曲。多媒体的应用也将受益无穷。

尽管蓝色激光器有很大潜力，但一直难以制造出用于CD播放机的蓝色激光器：要知道为什么这样难，有必要了解这些半导体装置是如何工作的。装在CD播放机或CD-ROM读出器中的激光器，是纯度极高，通过原子工程加工而成的晶体微粒。这种微粒又分成两个主要区域。这个二极管的每一侧有一种独特的电子特征：在所谓的n-型一侧，过剩的电子带动电流。在p-型一侧，由于缺乏电子而形成的带正电的大量空穴也起着相同的作用。当p-侧加上一个正电压而n-侧加上一个负电压时，电子与空穴就相向飞速运动。

这些粒子在一个超薄的称为量子阱的“无人地带”相遇。在那里，它们重新结合，相互湮没，并且在适当的条件下，发射出光子。光子是光的最小单位。当这种发射配合有一种反馈机制时（即在装置中嵌入一对髙反射性的镜子来使光子再循环)，就产生了激光；所有的光子都相干，使得所产生的光束具有特殊的性质。

光子的能量取决于所发射光的波长，是由一个基本的电子尺度决定的：即发生电子与空穴重新结合事件的半导体材料的带隙能，或者粗略地说就是“电子的弹性”[见图]。对于用GaAs制成的二极管激光器来说.带隙能大约等于1.45电子伏特。要产生蓝色波长的光，带隙能几乎需要加倍才行。于是，研究人员必须寻求另一类称作宽带隙材料的半导体。这类半导体的实例包括硒化鋅（ZnSe，按照在元素周期表上的位置被称为II-VI化合物）和氮化镓(GaN，称为III-V化合物)这些材料也许称为半绝缘体更合适，这样称呼更能说明将它们用在电气设备中的一个根本问题。

在80年代初，一小批科学家开始试验利用一种称为分子束外延的技术来形成II-VI半导体晶体。在这种方法中，在一个超高真空室里的原子“喷淋头”渐渐地把组份元素加在一块基片上，生成一座原子的“摩天大楼”。（这一工艺类似于一块砖一块砖地砌楼房，在这里是以原子的精确性来砌的。）利用这种方法，科学家们很快便制造出具有很高晶体性能的“定向设计材料”。通过这种研究工作，人们对量子阱层是如何起作用的，以及对从复杂的人造材料里如何调出蓝色和绿色光子有了更深入的理解。（绿光的波长只比蓝光的波长略长一些。）但是，探索有用的蓝色和绿色二极管激光器的工作还没有结束。这些早期的装置只有当它们受到另一个台式激发激光器的激发时才会发光。

在几乎十年的时间内，研究人员找不到电学方法来激发蓝色和绿色激光器。虽然他们能够很容易地用过量电子掺杂ZnSe晶体，他们却不能同样地在ZnSe晶体中产生过量的空穴。于是，他们就不能制造出一个pn结。后来到了1990年，研究人员成功地设法在上述工艺中加入了氮原子，最后得以在ZnSe晶体中掺杂进过量的空穴。

1991年夏天，3M实验室和我们的布朗大学及普渡大学联合研究组各自独立地报道了第一批蓝色和绿色二极管激光器。这些激光器不能连续地运作，而且必须冷却到液氮温度(77K)。然而此后不久，3M实验室和布朗-普渡组改进了他们的设计，既实现了在77K下的连续运作，也实现了在室温下的脉冲式运作。

1993年秋天，索尼实验室和布朗-普渡组都实现了在室温下将一个只用5状特激发的二极管激光器连续运作了几十秒。第一批蓝色和绿色激光器装置需要高达30伏特的电压。重大的进展来自对材料进行更加精巧的原子加工。最近，索尼实验室已经制造出一个绿色激光器，它能发射波长为520纳米的光，能在室温下连续工作大约100小时。布朗-普渡组已经演示了一个能发射波长为460纳米的蓝色激光器。

当然，100小时仍然不能满足实际应用的要求，但是了解目前所广泛使用的GaAs红外二极管激光器在一开始也基本上受到同一问题困扰的情况下，我们还是抱有乐观的态度。前不久，日本的日亚化学工业株式会社利用氮化镓材料已经取得一定进展。他们的研究人员已经生产出很优良的发射蓝光的二极管，并对一个蓝色激光器进行了初步演示，虽然此演示是在脉冲式、高电压条件下进行的。

明亮的蓝色未来

尽管还存在着种种局限，蓝色和绿色二极管激光器可以通过几种方式进行改进。如果对晶体中原子的排列作出更深入细致的分析，工程师们能制造出能承受更髙电流密度的晶体，而这种更髙的电流密度是激发激光器所必须的，图2的示意图介绍了用Ⅱ-Ⅵ半导体组合所制成的一个激光器装置。这种Ⅱ-Ⅵ半导体组合主要来自ZnSe。精密加工层的特定序列，优化了输入电能传送到硒化锌镉（ZnCdSe)超薄量子阱（这是激光器的电子和光学心脏)的过程，这种排列也为引导所发射的光子和产生反馈机制提供了适当的光学空间。量子阱的厚度大约为百分之一微米，它是通过把电子和空穴限制在两个硒化锌硫层之间而形成的。硒化锌硫具有更宽的带隙能。

虽然在半导体中一个电子和一个空穴的重新结合也许看上去很直观，量子力学却剥夺了这些粒子的个性。事实上，静电(库仑)引力把电子和空穴都配成了对，形成了激子。在室温下，晶体晶格中的振动使这些整体分解。因此，如果许多粒子挤在一个小的区域中，它们之间的散射也会使激子分解。但是在诸如ZnCdSe这样的宽带隙半导体薄层中，激子对被挤压得如此厉害，以致于即使在室温下或者在一个过度拥挤的激光器装置中它们都保持着相连状态。这些寿命更长的激子对实际上更容易发出光子，因此这个激光装置就需要较少的电流来维持激光发射。

另一个设计特色纠正了因蓝色和绿色发射的波长超过量子阱的厚度几乎2个数量级所引起的问题。另—种材料硒化锌镁硫（ZnMgSSe)——被用来限定光学波导，它是用来捕集垂直方向上的光。1993年，飞利浦实验室的研究人员证明了这种光导作用如何改善了激光器的运作。使用光刻工艺和其他类似的加工技术从物理上除掉了侧向上的材料，生成了一个具有“台面”效果的光学波导。于是，整个结构主要在一个方向(轴向）引导蓝色和绿色光。光幅射在晶体上开出的端面上形成的近乎完美的镜面之间反射，然后又在其中一个端面上射出的，以Ⅲ-VI氮化物为主所作的一种类似排列，获得了最近所报道的从这些半导体的蓝色激光发射。其量子阱是由氮化铟镓（InGaN)所组成，分别以氮化镓(GaN)和氮化铝镓构成电子约束层和光约束层。

在p-型ZnSSe层之上的最高部分称为锌(硒、碲)分级间隙接触层，它是用硒化锌和碲化锌交替层构成的。第一批蓝绿二极管激光器所遇到一个问题是，虽然它们能在室温下连续运作，但是假如它们直接与电池的电源相连接，不到一秒钟它们就会过热了。这种加热作用发生在电接触部位，在那里一个金属电极与一个p-掺杂的半导体相接触。在这两者之间存在着称为肖特基壁垒（Schottky barrier)的一个巨大的电失配，抑制了导电性，直到1992年末，布朗-普渡小组和索尼的研究人员才分别独立发现了解决这一难题的方法。这个方法采用一种硒化锌和碲化锌的分级合金，在金属与硒化锌之间，这种合金用一种平缓的下降取代了急剧的壁垒。

世界各地大多数的研究目前都集中在延长连续运作的蓝色和绿色二极管激光器的寿命，以及改进氮化合物材料的质量。当前，硒化锌材料所存在的障碍（否则这种材料应该在当代材料科学中表现出突出的性能），是一种晶体缺陷。这种缺陷发生在第一批硒化锌层在砷化镓基片上成核的吋候，而砷化镓的晶格尺度基本上与硒化锌的晶格尺度是相同的。这里或那里有几个原子（也许一百万原子中有一个左右）有时候相互之间没有排齐，引起了材料额外生长出一个平面。这种缺陷称为叠层错误，随着晶体的生长面扩展。当这种缺陷通过量子阱时，它为进入的电子和空穴提供了无辐射再结合的位置，也就是说，不会产生一个光子。每一次这种无辐射事件会把2.5电子伏特的能量释放到附近的晶格，这一能量相当于把晶体束缚起来的能量。因此，它常常造成额外的缺陷，最终导致更多的热量使激光器失效。

一些诊断技术已经部分地揭示了这种失效是如何在一个Ⅱ-VI半导体二极管激光器中发生的。其中包括高分辨率光学显微术和透射电子显微术。利用这些信息，在这一研宄中占领先地位的一些实验室正利用一些方案来阻止叠层错误的产生，这些方案也是依靠加工激光材料的许多技术，使激光材料具有额外的强度。氮化含物所遇到的问题不同。氮化合物的化学键排列方式使这些材料非常坚韧。因此，强大的电流不容易引起叠层错误。但目前氮化物中的缺陷是如此之多，以至于抑制了激光的发射。但这些问题的解决不可能很遥远，由于它们在高密度光学存储方面的应用前景以及从投影电视到医学诊断等一大批其他应用前景，宽带隙激光器必将有一个明朗的未来。