Mavi Mucize: Mavi Lazer Teknolojisi

Silisyumkarbid elmastan sonraki en sert metal olduğu içindir ki, wafer zorlukla tek tek diyodlara ayrılabiliyor. Önce yuvarlak wafer’dan her birinin üzerinde bir dizi tamamlanmış diyod chiplerinin bulunduğu külçeler kırılıyor. Daha bu aşamada gerilim uygulandığında, ufaklıkların ışıldayıp ışıldamadığı sınanabiliyor. Lazeri “pompalamak” için başlangıçta 40 watt gerekiyordu, şimdi ise artık 1 watt’tan daha azı yeterli oluyor. Bir yapı parçacığının yaşam süresi de etkilendiği için ısı gelişimi henüz çözülmesi gereken en büyük sorun. Ancak geçen yıl Regensburg’ta oda sıcaklığında mavi bir lazeri çalıştırmak konusunda başarı sağlandı, o zamana kadar zahmetli soğutmalar gerekli oluyordu. Bunu takip eden projede, lazer aynı şekilde birleştirilmiş güçlerle ileri taşınacak. “Lazer diyodu daha iyileştirmek istiyoruz. Özellikle işletimdeki yaşam süresini yükseltmeyi hedefliyoruz” şeklinde hedeflerini betimliyor Fraunhofer Enstitüsü’nden profesör Joachim Wagner. Osram’da ise tabii ki gizliden gizliye yine üç yıl sürecek projenin sonunda üretim için olgunlaşmış bir teknolojinin ortaya çıkacağı umudu besleniyor. Uygulamalar çok çeşitli olabilir. Osram Semiconductors bünyesinde yenilikler yönetimi başkanı Dr. Norbert Stath şimdiden yeni bir çağdan bahsediyor: “Geçen yüzyıl elektronun yüzyılıydı. İçinde bulunduğumuz ise fotonun yüzyılı olacak.” Panasonic mavi lazeri 50 GByte kapsayacak iki katlı bir optik disk için kullanmak istediği duyurusuyla öne fırlamış görünüyor. Sözkonusu kapasite bugünün normal bir DVD’sinde bulunanın on katından fazla; ayrıca üç kat daha fazla transfer hızından da söz ediliyor.

Xerox’un Palo Alto Research Center (PARC) bünyesinde lazer diyodlar alanında araştırmalar bir gelenek teşkil ediyor. Daha çok önceleri işletme yazıcılar için kompakt lazerler geliştirmişti.Mavi bir lazer bugünkü normal kızılötesi kaynaklarla karşılaştırıldığında, yalnızca yarı büyüklükte noktalar basabilir. “Lazer teknolojisinin değişimiyle yazıcıların tipik çözünürlüğü başka bir şeye gerek kalmaksızın 600 dpi’dan 1.200 dpi’ya yükseltilebilir” açıklamasında bulunuyor PARC bünyesinde elektronik malzeme laboratuvarı yöneticisi Ross Bringans. Daha kısa dalgaboylu lazerlerle daha yüksek çözünürlüklere ulaşmak, bu kapsamda geliştirme hedeflerinden yalnızca biri. Xerox mavi ışıldamayı gözler önüne serebildikten sonra, şimdi lazer, yeni bir projeye, tek bir chip üzerinde yazıcı projesine entegre edilecek. Bunun üzerinde lazer ve optik sistem birlikte yer alacak. Planlar bu kadarla da sınırlı değil: Üst uç lazer yazıcıların gelecek kuşağında yaklaşık 1.000 ayrı lazerin birlikte çalışması sağlanabilecek. Dahili mikro ayna da dahil olmak üzere sistem bir parmak ucundan daha büyük mayabilecek.Mavi lazer tabii ki taşınabilir cihazlara varana kadar kitle pazarı için daha küçük ve daha sağlam lazer yazıcıları olanaklı kılacak. Kısa dalgaboylu lazer veri belleklerini ve yazıcıları “yalnızca” iyileştirirken, örneğin lazer TV gibi öteki cihazlar da bununla bir çığır açılabilecek. Endüstri ilk prototipleri yaklaşık on yıl öncesinden sergilemişti. Ama cihazlar büyük ve pahalı oldukları için, teknoloji şimdiye kadar yalnızca özel uygulamalarda kullanılmıştı. Yüksek performans yeteneğine sahip lazer diyodlar tüm ana renklerde günün birinde oturma odanızda yer alabilir.

Böylelikle mavi lazer uğruna yürütülen yarış, tam olarak başlamış oldu. Şimdi artık yalnızca olayın olduğu değil, nasıl olduğu da ortaya çıkarıldı, en azından ilkesel olarak... Nakamura patent haklarına pek aldırmaksızın araştırma sonuçlarını yayınlamıştı. Yine de işletmesi Nichia önde gitmeyi sürdürdü ve ne Japonya’da Sony, Fujitsu, NEC, Toshiba, Pioneer ve Matsushita ne de ABD’de Xerox ya da Cree devasa araştırmalara rağmen arayı kapatabildi... Nichia mavi lazerinin yaşam süresini bugüne gelinceye dek 10 bin saate yükseltti, ama artık lazerden çok pahalı yapıtaşlarından ibaret küçük seriler üretebiliyor. Tüm katılımcılar şimdiye kadar elde edilenden son derece memnun olsalar da, bu kadar ilerlemiş olmak Almanya’da sevinç yaratırdı.1999 yılında, yani Federal Araştırma Bakanlığı kolektif projeyi başlattıktan bir yıl sonra, mavi lazer nabız şeklinde işlemeye başlamıştı bile. 2001 yılı başında nihayet örneğin verileri yoklamak için gerekli olan sürekli bir ışık ışını üretilebildi. 2 inçlik bir wafer’dan yaklaşık 10 bin lazer diyodu oluşturulabiliyor. Malzeme teknolojisi alanında Freiburg’daki Fraunhofer Enstitüsü ve Stuttgart Üniversitesi küçümsenemeyecek ön çalışmalar gerçekleştirdi. Galyumnitrit masif bir tek kristal olarak var olamadığı için, temel olarak silisyumkarpit (SiC) kullanılıyor. Bunun üzerinde yarıiletken planlı bir biçimde katman katman oluşuyor. Bu işlem için yöntemler gitgide daha fazla hassaslaştırılıyor, bugün artık sıradan olan ve metal-organik denilen “gas phase epitaxie” gelinceye dek.

Mükemmel chip’lere giden zorlu yol

Silisyumkarbid ve galyumarsenidin kristal kafesleri tam olarak birbirine uymadığı için, sonucu bir hiç kılan yapı hataları ve yer değişimleri meydana geliyor. SiC cevheri üzerindeki wafer birçok üretim sürecinden geçiyor.Mavi ışık, galyum-indiyum-nitrid’ten ibaret (GaInN) ince bir katmanda oluşuyor. Bu sistemde pozitif iletken malzeme gerçekleştirmek uzun süredir bir sorun teşkil ediyordu. Nihayet magnezyum atomlarının serbest yük taşıyıcı olarak tahsis edilmesiyle başarıya ulaşıldı. Ancak bu atomlardan malzemenin öteki özelliklerini etkileyecek kadar yerleştirmek gerekiyor. Wafer tüm katmanlarıyla tamamlandığında, Osram Semi conductors’ın Regensburg’taki laboratuvarlarındaki minik kırıkların da gösterdiği gibi, daha tüm sorunlar çözülmüş değil.

Regensburg’daki Osram’da, Freiburg’daki uygulamalı katı cisimler fiziği alanında etkinlik gösteren Fraunhofer Enstitüsü ve Stuttgart, Braunschweig, Ulm ve Regensburg Üniversitelerinin de katılımıyla Alman araştırma etkinlikleri buluşuyor. Üç yıllık kolektif bir proje sonunda, geçen yıl mavi lazeri sürekli ışıldatmak başarılmış. Bunu takip eden bir proje ile şimdiki hedef, 2003 yılına kadar piyasaya sürülecek olgunluğa ulaşmak. Katılımcı bilimciler için püf noktasını oluşturan görev, aslında birbirine uymayan malzemeleri birbirleri ile bağlantılandırmak. Malzemelerin kombinasyonu bir lazer diyodun yaydığı rengi belirliyor. Işık, uygulanan bir gerilimin farklı katmanlardan serbest yük taşıyıcılarının elektrik bakımından nötr atomlar oluşturacak şekilde kombine edilmesiyle üretiliyor; ve bu sırada enerji açığa çıkıyor. Dalgaboyu ve onunla birlikte lazer ışığın rengi, bu fiziksel olayın karakteristik enerjisine bağlı. Işık yayan diyodlarda (LED) bu ışık doğrudan yayılıyor, lazer diyodlarda yarıiletken elemanın orta katmanı ışık daha yayılmadan ışığın yansıyan uçlarını katbekat güçlendiren etkin bir alan olarak biçimlendiriliyor.Mavi ışık elde etmenin zorluğu, değişik yük taşıyıcılarının kombine edildiklerinde açığa çıkan enerjinin istenen dalgaboyu sonucunu verecek şekilde birbirine uyan yarıiletken sistemlerin zorlukla bulunmasından ibaret. Birçok deneyin başarısızlığa uğramış olmasının nedeni, malzemelerin birbirine uymayan kafes yapılarına sahip olması. Neredeyse yirmi yıldır araştırmalarda sayısız kombinasyon denenmiş ve sonra bir yana atılmış bulunuyor.

Ara?t›rma ç›kmaz sokakta

Son olarak çoğu araştırmacı, çinko-selenit ve akraba yarıiletkenler kombinasyonuna umut bağlamıştı.Malzeme laboratuvarda bir umut ışığı olarak boy göstermiş, ama kırılgan ve ısıya karşı duyarlı olduğu için gündelik kullanım için evcilleştirilememişti. Her şeye rağmen Sony bununla mavi bir lazerin ilk prototipini geliştirmiş ve daha 1995 yılında 400 saatlik bir yaşam süresine ulaşmıştı. Bu noktadan itibaren, teknolojik gelişmenin sonuna gelinmişti. Kristal yapısında bertaraf edilemeyen arızalar daha da ileri gitmeyi engelliyordu. O sıralarda Japon işletmesi Nichia Chemical bünyesindeki fizikçi Shuji Nakamura çevresindeki bir araştırmacı grubu, çoktan rafa kaldırılmış olan galyumnitrid ile deneyler yürütüyordu. Diyod lazerler için gereksinilen hatasız tek kristalli katmanların üretimi için gösterilen tüm çabalar başarısızlığa uğramıştı, ta ki Nakamura 1995 yılında laboratuarında ilk mavi ışıkları görünceye dek.

Mavi lazer avı, dünyanın dört bir yanındaki araştırma laboratuvarlarında son hız sürüyor: Panasonic onu 50 GByte bellek hacmine sahip bir DVD takipçisi gerçekleştirmek için geliştirirken, Sony onu mini CD formatında sinema filmleri için elde etmek istiyor... Toshiba onun için 30 GByte’lık ortamları tanıtırken, Xerox daha da yüksek çözünürlüklü kompakt yazıcılar için bir temel teşkil edecek şekilde Silicon Valley’deki seçkin araştırmacı tabakasını onun için çalıştırıyor... Pentagon bu mucizevi mavi silahı arzuluyor, çünkü o, görünmez biyolojik ve kimyevi savaş malzemelerini ışıldatarak görünür kılıyor... Çevre analistleri onunla kolayca ozonu kanıtlayabilecek duruma gelebilecekken, doktorlar onunla kanserli hücreleri daha erkenden teşhis etmek istiyor... O, lazer televizyonunu başarıya ulaştırmak konusunda yardımcı olmakla kalmayacak, plastik malzemenin optik veri iletici olarak cam elyafın yerine geçmesinde de başrolü oynayacak... Yalnızca CD ve DVD’nin yerini alacak bellek ortamı, milyarlık bir pazar vaat ediyor. Ünlü fizikçilerin onu ilk gördükleri anı anlatırken gözleri parıldıyor. Bu an, yıllarca süren araştırma ve hayal kırıklığı yaratan sayısız başarısız denemeden sonra, nihayet çalışmalarının ürününü gördükleri an. Özellikle etkileyici olan, bir lazer diyodunun nihayet mavi ışık yayması olmuş olsa gerek. “Onu laboratuvarımızda ilk gördüğümüzde hepimizi bir coşku kapladı,” diyerek o anı yeniden yaşıyor Regensburg’daki Osram Semiconductors bünyesinde geliştirici olarak etkinlik gösteren Alfred Lell. Daha önceleri o ve meslektaşları, kızılötesi alanda ışıldayan yarıiletkenlerle, yani görünür ışığın dışındaki alanlarda araştırmalar yapmışlardı. “O zamanlar ölçüm aletlerinin bize söylediklerine inanmaya mahkumduk, şimdi meselenin ne olduğunu kendi gözlerimizle görüyoruz.” Sevincin kaynağı, izleyicinin gözü için bir topluiğne başı büyüklüğü etkisi yaratan, gerçekte ise bundan katbekat küçük olan mavi renkte ışıldayan bir ışıkçık. Ancak bu sevinci, tek başına şık bir renge sahip olan görünür bir ışığın varlığıyla açıklayamayız tabii ki. Lazer ışığının rengiyle fizikçiler belirli bir dalgaboyunu bağlantılandırıyorlar... Bu da şu demek; dalgaboyu, mavi ya da mor lazerlerde, günümüzde birçok cihazda kullanılan kızıl ve kızılötesi ışık kaynaklarından çok daha kısa. Kızılötesi lazer 780 ila 850 nanometre, kızıl lazer ışık ise 650 ila 670 nanometre arasındaki dalgaboylarında yayılırken, mavi lazerin dalgaboyu 410 ila 460 nanometre arasında. (Bakınız s74’teki grafik).

Yoklamak için daha k›sa dalgaboyu

Kısa dalgaboyu ile çok daha hassas yapıları yoklama yeteneği, örneğin verileri daha yoğun yazmak ve okumak gibi, mavi lazeri gelecek yılların en önemli teknolojilerinden biri haline getiriyor. Bu teknoloji uğruna yürütülen yarış, tarihe günümüzün en çok heyecan uyandıran araştırmalarından biri olarak geçecek. Öncülük zihniyeti ve sabır, Japonların önde gitmesine yol açıyor. Japonlar ticaret yapmanın eşiğine geldiler. Almanya’da da çeşitli kuruluşların güçlerini birleştirmelerinden dolayı, şimdilik yalnızca laboratuvarlarda da olsa, mavi ışıldıyor.