Jakten på det blå ljuset

I dag används laserljus inom en mängd olika områden, som cd-spelare, ögonkirurgi och för att överföra information i fiberoptik. Flertalet använder rött ljus med en våglängd på cirka 650 nanometer. En nanometer är en miljarddels meter, dvs 0,000 000 001 meter. Med en kortare våglängd, som blått ljus på cirka 400 nanometer, kan laserstrålen koncentreras till en betydligt mindre yta, till exempel i en dvd-spelare vilket gör att man kan lagra data tätare på den optiska skivan.

Jakten på blå laser har pågått länge. Ett patent på en fungerande blå laser med enkel tillverkningsteknik är värt många miljarder kronor, eftersom tillämpningsområdena är så många – allt ifrån stora lagringsmöjligheter för information till effektivare belysning och högpresterande videoprojektorer.

Redan i dag finns dvd-spelare med blå laser, med de är dyra eftersom tillverkningstekniken är komplicerad.

– Det börjar komma produkter som bygger på blåvioletta lasrar. Flaskhalsen är produktionen, som just nu inte är tillräckligt effektiv, säger Bo Monemar, professor i materiefysik vid Institutionen för fysik och mätteknik, Linköpings tekniska högskola.

Några av världens största elektronikföretag presenterade för några år sedan ett format för inspelningsbara dvd-skivor, kallat Blu Ray Disc, som använder sig av blåviolett laser på 405 nanometer. Lagringskapaciteten hos dessa skivor är 27 gigabyte, vilket räcker till ungefär två timmars inspelningstid. Spelar man däremot in vanliga tv-program eller kopierar från videokameran räcker skivan för 13 timmars inspelning. På dagens inspelningsbara dvd-skivor ryms det 113 minuter eller 4,7 gigabyte av vanlig tv. Priset på en spelare med blått ljus är i dagsläget cirka 30 000 kronor.

Det handlar här om en ny typ av lasrar och lysdioder som bygger på ett halvledarmaterial kallat galliumnitrid, GaN. Precis som med kisel kan galliumnitrid odlas fram i kristaller och beläggas med olika ledande skikt.

– När man arbetar med kristallmaterial för att konstruera lasrar och lysdioder använder man olika skikt av närbesläktade legeringar för att stänga inne, och trycka ihop, ljus och elektroner. Man odlar på nya kristallager eller ser till att legeringarna har olika stor elektrisk ledningsförmåga, berättar Gunnar Landgren, professor vid Institutionen för mikroelektronik och informationsteknik, Kungl. Tekniska Högskolan, KTH.

Ljuset måste tryckas ihop så att man får ett intensivt och fokuserat ljusutsläpp på en given plats. Galliumnitrid har visat sig effektivt kunna stänga inne elektronerna.

– I Sverige har vi inte haft så mycket forskning om halvledare baserade på galliumnitrid, eftersom vi har varit lyckosamma inom andra områden, exempelvis lasrar för långa våglängder med infrarött ljus som används för tillämpningar inom telekommunikation, säger Gunnar Landgren.

Det finns en fysisk gräns

Sedan en tid ägnar sig dock bland annat Linköpings universitet, Chalmers tekniska högskola och KTH åt forskning om galliumnitrid.

– Det finns flera spännande utvecklingsspår. I dag försöker man till exempel förbättra de lasrar som tänder och släcker ljuset vid överföring av information i optiska fibrer, säger Gunnar Landgren.

Dessa har dock en fysisk gräns. Det kanske är möjligt att tillverka fiberoptiska lasrar som är tio gånger snabbare än dagens, men sedan är det stopp.

– Därför undersöker vi möjligheten att utveckla så kallade modulatorer, som sköter själva tändningen och släckningen, baserade på galliumnitrid. De kan arbeta snabbare än själva ljuskällan, säger han.

Då handlar det om våglängder anpassade för telekommunikation, det vill säga på 800-1 600 nanometer.

Men först måste man alltså lösa tillverkningsproblemet med galliumnitrid. I dag låter man galliumnitrid och närbesläktade legeringar växa på ett främmande underlag, ett substrat av safir. Det ger dock dåligt utbyte mätt i antalet komponenter, på grund av ett stort antal materialfel. Man kan inte heller tillverka så fina skivor som exempelvis av kisel. Halvledarlasrar tål inte stora avvikelser, och därför behöver utvecklingstekniken förbättras innan man kan massproducera lasrar för blått ljus.

Det är först när det blir massproduktion av GaN-substrat som komponenterna kan bli billiga, vilket i sin tur gör slutprodukten billigare.

– Jag tippar att det tar cirka tre år innan det finns lasrar i massproduktion för exempelvis dvd-spelare till ett rimligt pris, säger Bo Monemar.

Platta tv-apparater hägrar

Drömmen är dock att utveckla ljuskällor för att täcka in hela färgspektrumet, det vill säga förutom röd och blå laser även grön laser. Då kan man börja använda laserprojektorer för långa avstånd – med helt verklig färgåtergivning i dagsljus. En annan hägrande tillämpning är tv-apparater som är helt platta och mycket ljusstarka. Ytterligare tillämpningsområden är kraftfulla lasrar för kirurgi, laserskrivare och skannrar och inte minst inom industrin för tillverkning av kretskort och andra elektroniska komponenter. Men det tar ännu längre tid att utveckla gröna än blå lasrar, även om försök pågår.

– Lasrar med grön våglängd har ännu ingen enkel halvledarlösning. Kanske man kan lösa även det området med nitrider. Men i dessa strukturer har man problem med mycket starka interna elektriska fält som minskar ljusutbytet, säger Bo Monemar.

En möjlig lösning som man arbetar på är att låta materialet växa i en annan kristallriktning, så att det elektriska fältet kan elimineras. Men ännu har inga försök lyckats.

Bilföretag gör försök

Det är inte bara lasrar som byggs med galliumnitrid. Även enklare lysdioder förväntas revolutionera många områden (se rutan nedan).

– En näraliggande tillämpning är att byta ut vanliga glödlampor mot lysdioder byggda på galliumnitrid. De skulle få lång hållbarhet och kräva tio gånger mindre energi än dagens lampor med glödtråd, säger Thorvald Andersson, biträdande professor i mikroteknologi och nanovetenskap vid Chalmers tekniska högskola. Han berättar att flera bilföretag gör försök där de ersätter de vanliga lamporna i bilarna med lysdioder. Eftersom de nya lysdioderna har längre livstid än fordonet och inte behöver bytas ut kan de monteras fast direkt i tillverkningen, vilket också kan ge en annan design på bilen.

– Här pågår mycket forskning. Använder man galliumnitrid förstörs materialet inte lika mycket under långtidsdrift. Därför kan lampor byggda med detta material faktiskt hålla i upp till hundra år, säger Bo Monemar.

Lysdioder kan i dag matcha glödlampor och i viss mån även vanliga lysrör, och här finns en jättelik marknad för allmänbelysning. De kan byggas in i själva byggnaderna eftersom de har längre livstid än elsystemet.

Professor Thorvald Andersson berättar att en välkänd tillämpning av lysdioder är trafikljusen. De håller sedan flera år på att bytas ut och ersättas av GaN-lysdioder.

Detta har blivit praktiskt genomförbart sedan lysdioder med hög ljusstyrka, som samtidigt har rätt grön, gul och röd färg, kan framställas till rimlig kostnad. I och med detta beräknas enbart Stockholms stad spara 5,5 miljoner kronor per år, varav 2 miljoner på underhåll och 3,5 miljoner på elräkningen. Underhållskostnaden hålls nere eftersom lysdioder har 30 gånger längre livslängd än en glödlampa, och elkostnaderna sjunker eftersom lysdioder drar ca 7 watt per trafikljus mot glödlampans 35-70 watt.

Ultraviolett ljus (i detta fall ljus med våglängder på 280-380 nanometer) är också användbart. Man kan till exempel använda lysdioder inom detta spektrum för att rena avgaser. UV-ljus från lysdioder med GaN kan tillsammans med en katalysator dela dioxin i sina beståndsdelar. På så sätt försöker man på ett elegant sätt rena rökgaser från fabriker.

– I vissa bilmodeller använder man på liknande sätt lysdioder för att rena luften i bilen. Det sägs till exempel att Toyota tagit fram ett system som ska kunna ta bort cigarettrök i bilar, säger Bo Monemar.

Liknande system utvecklas för luftkonditionering i kontor och kanske även bostäder. Försök pågår med att använda UV-lysdioder för att förenkla den katalytiska avgasreningen i bilar.