En avgörande detalj hos en vertikalkavitetslaser, eller VCSEL som det förkortas på engelska, är att speglarna, mellan vilka ljuset ska lasra, har en extremt hög reflektivitet – över 99 procent. Likaså krävs det att materialet mellan speglarna är bra på att emittera det ljus man vill skicka ut.

För att skapa blått ljus fungerar galliumnitrid bra, men för att få kortare våglängder måste aluminium adderas, vilket ger AlGaN. Både UVB (280–320 nm) och UVC (200–280 nm) kräver aluminium. Ju kortare våglängd, desto mer aluminium.

För att skapa en UV-laser med riktigt hög kristallkvalitet måste AlGaN växa på ett substrat som också består av AlGaN. Detta görs på Technische Universität Berlin, som är experter på att göra ljusemitterande material i UV-området och som Chalmersforskarna samarbetar med.

När aluminium adderas stöter lasern direkt på patrull. Halvledarmaterialet AlGaN är visserligen bra på att emittera UV-ljus, men ingen har lyckats att göra högreflektiva speglar i materialet.

Åsa Haglund

– Vi har istället utvecklat en metod för att lyfta bort materialet från substratet som gör att vi kan använda dielektriska speglar ovan och under det ljusemitterande materialet, förklarar Åsa Haglund.

Metoden att ta bort substratet är forskarnas verkliga trumfkort, och en teknik som utvecklats under många år i gruppen. Den går ut på att inkludera ett så kallat offerlager när strukturen växer, som sedan selektivt kan tas bort från sidan (se skiss i faktaruta).

Chalmersdoktoranden Filip Hjort är den som gjort större delen av jobbet när det handlar om de ultravioletta världsrekordslasrarna. Han har gjort de dielektriska speglarna och modifierat tekniken för att ta bort substratet ifrån det ljusemitterande materialet.

Filip Hjort

– Beroende av hur man designar offerlagret blir ytan mer eller mindre jämn när substratet tas bort. För lasrarna är det väldigt viktig med en jämn yta till skillnad mot för lysdioder, där det inte är lika viktigt, förklarar Filip Hjort.

När lasrar utvecklas för nya våglängder börjar man alltid med en optiskt pumpad struktur. Det betyder att en annan laser belyser det ljusemitterande materialet som tar upp energin och skickar ut ljus – i detta fall vid 310 nm.

– Framåt fokuserar vi på två saker. Det ena är att få lasrarna elektriskt drivna. Det andra är att göra en VCSEL med ännu kortare våglängd, en UVC-laser, säger Åsa Haglund.

Av de två utmaningarna ligger en fungerande UVC-laser närmast i tid. För att skapa den behövs en lite annan materialkombination än för UVB med mer aluminium i offerlagret liksom i det ljusemitterande materialet.

Även detta har Filip Hjort arbetat med. Han har visat att det blir väldigt jämna ytor när offerlagret tas bort och hade det inte varit för att han varit tvungen att skriva klart sin avhandling inför disputationen i juni hade sannolikt UVC-lasern redan varit klar.

– Jag kan säga så här. Jag behöver bara ta mig tid att gå in i labbet och sätta ihop alla delar. Kanske uppstår några ingenjörsutmaningar, men inte mer.

Så tillverkas lasern För att skapa en bra VCSEL för ultraviolett ljus måste det ljusemitterande materialet, AlGaN (mörkblått), vara av extremt hög kristallkvalitet och kombineras med mycket högreflektiva speglar. Detta åstadkoms genom att växa det ljusemitterande materialet atomlager för atomlager på ett substrat i AlGaN (ljusblått). Man växer helt enkelt en perfekt kristall på en annan perfekt kristall av samma material. I samband med att strukturen växes inkluderas även ett lager som är hårt n-dopat, kallat offerlager. När själva lasern tillverkas deponerar forskarna först en dielektrisk spegel ovanpå det ljusemitterande materialet. Därefter tar de selektivt bort offerlagret från sidan, vilket gör att substratet kan lyftas bort från komponenten som istället monteras på en bärarskiva med hjälp av en metallfog. Slutligen placeras en dielektrisk spegel på undersidan och resultatet är en laser med två högreflektiva speglar samt med det högkvalitativa ljusemitterande materialet i mitten.

För att däremot få rekordlasern elektriskt driven måste forskarna lyckas föra in ström i det ljusemitterande materialet, där ljuset sedan studsar mellan speglarna. Det är en stor utmaning eftersom det inte går att lägga ett metallskikt över hela ytan – det ger helt enkelt för höga förluster eftersom metall absorberar ljus alltför bra. Istället lägger man metallkontakter på sidan, och försöker styra in ström till mitten av komponenten.

– Det fungerar för andra typer av VCSEL:ar, men vi vet ännu inte riktigt hur vi ska lösa detta för en UV-VCSEL. Den stora utmaningen är att få strömmen att sprida sig i horisontalled för materialen har väldigt dålig elektrisk ledningsförmåga. De vill egentligen inte leda ström alls, säger Åsa Haglund och fortsätter:

– Vi försöker titta på att skapa lite smarta strukturer som gör att vi kan lägga in ett n-dopat skikt för strömspridningen. Man har visat att det går att göra för lysdioder i UV-området. Nu vill vi använda samma koncept för lasrar, vilket ger lite fler utmaningar.

Elektriskt drivna VCSEL:ar för UVB- och UVC-området kommer att behöva ytterligare ett antal år i labbet innan de är redo, men då kommer de å andra sidan att vara extremt attraktiva. Jämför bara med motsvarande lasertyp för infrarött ljus som numera finns i ett stort antal i mobiltelefoner där de bland annat används för ansiktsigenkänning och avståndsbedömning.

– Det är en lasertyp som används oerhört mycket på grund av ett antal attraktiva egenskaper. En är att den ger en mycket fin ljusstråle som är lätt att koppla in i andra optiska system medan andra lasertyper skickar ut strålar som divergerar mycket.

En annan fördel är att VCSEL:ar drivs med låg ström. Likaså går det enkelt att göra matriser med många sådana lasrar på samma skiva som endera kan adresseras individuellt eller tillsammans.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

Samtidigt är ljus med UVC-våglängd något som rönt stort intresse under den pågående pandemin eftersom det inaktiverar virus och bakterier. Många företag, som Osram, har exempelvis börjat utveckla UVC-lysdioder.

– Här kan man konstatera att mycket av den snabba utvecklingen som just nu sker inom UVC-lysdioder kommer att bli väldigt användbar för utvecklingen av VCSEL:ar. Detta eftersom kvalitén på de ljusemitterande materialen höjs, säger Filip Hjort.

– En stor anledning till att vi vill gå mot kortare våglängd är just att vi ser väldigt stora volymtillämpningar för UVC-komponenter, såsom sterilisering av ytor på sjukhus och i offentliga miljöer men också av luft och vatten, konstaterar Åsa Haglund, och adderar:

– Sen är det också spännande att se hur långt vi kan pressa vår teknologi.

Foto: Henrik Sandsjö

Utvald av ECR och VR Åsa Haglund är biträdande professor på avdelningen för fotonik vid MC2-institutionen på Chalmers. På kort tid har hon fått två prestigefulla personliga forskningsanslag – det ena från Europeiska forskningsrådet (ERC), det andra från Vetenskapsrådet (VR). ERC-anslaget delas ut till forskare med – vad rådet anser – intressanta nydanande idéer som kan bidra till samhället på lång sikt. Åsa Haglund har fått drygt 20 miljoner kronor för att leda det femåriga projektet, UV-LASE, som startade i augusti 2020.   – Forskningsidén som jag fått anslag för bygger på tekniken som vi har tagit fram för att kunna lyfta av ljusemitterande material från det substrat som de är växta på och att med den tekniken utveckla lysdioder och laserdioder i det blåa och ultravioletta området, säger hon.   Anslaget från VR är på 10 miljoner kronor över sex år med start i januari 2019. Projektet täcker ett liknande område men med ett fokus på att undersöka tekniken för att lyfta av materialen och att försöka optimera den.   – Vi ser att tekniken kan användas till mycket mer än bara ljusemittrar. Den skulle exempelvis kunna användas för att lyfta av transistorer som ska användas i högeffektstillämpningar. Man kan lyfta av den lilla transistorstrukturen från sitt substrat och i stället placera den på en tjock metall för att leda bort värme bra från komponenten, förklarar Åsa Haglund, och fortsätter:    – Jag kan inte nämna några namn, men det finns kommersiellt intresse i att använda denna teknik inom halvledarområdet. Genom de två anslagen har Åsa Haglund kunnat bygga ett team på sex personer, med fler på väg in. Samtidigt lämnar Filip Hjort (se artikeln intill) och ytterligare en post-doc inom kort för industrin.