Realisatie van hoge optische output van verticale ultraviolette halfgeleiderlasers! Veelbelovende praktische toepassingen op het gebied van geneeskunde en laserverwerking

Onlangs heeft een Japans onderzoeksteam een ​​op AlGaN gebaseerd verticaal diep ultraviolet emitterend halfgeleiderlaserapparaat vervaardigd, dat naar verwachting zal worden toegepast op het gebied van laserverwerking, biotechnologie en geneeskunde.
Zoals we allemaal weten, is ultraviolet (UV) licht een elektromagnetische golf met een golflengtebereik van 100 tot 380 nm. Deze golflengten kunnen worden onderverdeeld in drie gebieden: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) en UV-C (100-280 nm). ), de laatste twee gebieden bevatten diep ultraviolet licht.
Laserlichtbronnen die uitzenden in het UV-gebied, zoals gaslasers en vastestoflasers op basis van de harmonischen van yttrium-aluminium-granaatlasers, kunnen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder biotechnologie, dermatologische behandelingen, UV-uithardingsprocessen en laserlichtbronnen. verwerken. Dergelijke lasers hebben echter te kampen met grote afmetingen, een hoog energieverbruik, een beperkt golflengtebereik en een laag rendement.

De afgelopen jaren is de ontwikkeling van hoogwaardige halfgeleiderlasers die licht genereren door stroom te injecteren, parallel met de voortdurende ontwikkeling van de productietechnologie gepromoot. Deze omvatten apparaten die ultraviolet licht uitzenden op basis van het halfgeleidermateriaal aluminium galliumnitride AlGaN. Hun maximale optische uitgangsvermogen in het diepe UV-gebied bedraagt ​​echter slechts ongeveer 150 mW, wat ver onder het vermogen ligt dat nodig is voor medische en industriële toepassingen. Het verhogen van de injectiestroom van het apparaat is van cruciaal belang voor het vergroten van het uitgangsvermogen. Dit vereist een toename van de apparaatgrootte en moet er ook voor zorgen dat de stroom uniform in het apparaat stroomt.
In de context van dit onderzoek heeft een Japans onderzoeksteam onder leiding van prof. Motome Iwaya van de afdeling Materiaalwetenschappen en Techniek van de Meijo Universiteit met succes hoogwaardige verticale UV-B-halfgeleiderlaserdiodes van het AlGaN-type ontwikkeld. Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya heeft verklaard dat bestaande op AlGaN gebaseerde diep-ultraviolette lasers isolatiematerialen zoals saffier en AlN gebruiken om kristallen van hoge kwaliteit te verkrijgen. Maar omdat de stroom in deze apparaten zijdelings vloeit, om hun lichtopbrengst te verbeteren, hebben wetenschappers verticale apparaten onderzocht, waarbij de p- en n-elektroden naar elkaar toe gericht zijn in een pn-overgang. Maar de afgelopen jaren zijn verticale configuraties gebruikt om halfgeleiderapparaten met hoog vermogen te realiseren. Maar voor halfgeleiderlasers is de ontwikkeling van dergelijke configuraties gestagneerd en nog niet gerealiseerd voor diep-ultraviolette lichtemitterende apparaten op basis van aluminiumnitride. Daartoe vervaardigden de onderzoekers eerst hoogwaardig aluminiumnitride op een saffiersubstraat. Vervolgens werden periodieke nanopilaren van aluminiumnitride gevormd en afgezet met op aluminiumnitride gebaseerde laserstructuren.
Het team maakte gebruik van een innovatieve laserstriptechniek op basis van gepulseerde vastestoflasers om de apparaatstructuren van het substraat te strippen. Ze ontwikkelden ook een halfgeleiderproces om de elektroden, stroombegrenzende structuren en isolatielagen te vervaardigen die nodig zijn voor laseroscillaties, en een splijtmethode waarbij gebruik wordt gemaakt van bladen om uitstekende optische resonatoren te vormen. De resulterende, op AlGaN gebaseerde diepe UV-B-halfgeleiderlaserdiode heeft nieuwe en unieke eigenschappen. Het werkt bij kamertemperatuur, straalt extreem scherp licht uit bij 298,1 nm, heeft een goed gedefinieerde drempelstroom en sterke transversale elektrische polarisatie. De onderzoekers observeerden ook een laserspecifiek vlekachtig verreveldpatroon, wat de oscillaties van het apparaat bevestigde.
Het onderzoek toont aan dat verticale apparaten hoge stromen kunnen leveren voor de werking van apparaten met een hoog vermogen. In de toekomst zal het een grotere rol spelen in nieuwe kosteneffectieve fabricageprocessen voor onder meer elektrische voertuigen en kunstmatige intelligentie. En de onderzoekers hopen ook dat op aluminiumnitride gebaseerde verticale UV-lasers praktische toepassingen zullen vinden op medisch en productiegebied.