Реализация высокой оптической мощности вертикальных ультрафиолетовых полупроводниковых лазеров! Перспективные практические применения в области медицины и лазерной обработки

Недавно японская исследовательская группа изготовила вертикальное полупроводниковое лазерное устройство, излучающее глубокий ультрафиолет, на основе AlGaN, которое, как ожидается, будет применяться в области лазерной обработки, биотехнологии и медицины.
Как мы все знаем, ультрафиолетовый (УФ) свет представляет собой электромагнитную волну с длиной волны от 100 до 380 нм. Эти длины волн можно разделить на три области: УФ-А (315-380 нм), УФ-B (280-315 нм) и УФ-C (100-280 нм). ), последние две области содержат глубокий ультрафиолетовый свет.
Источники лазерного света, излучающие в УФ-диапазоне, такие как газовые лазеры и твердотельные лазеры на основе гармоник лазеров на иттрий-алюминиевом гранате, могут использоваться в широком спектре применений, включая биотехнологии, дерматологическое лечение, процессы УФ-отверждения и лазерное лечение. обработка. Однако такие лазеры страдают большими размерами, высоким энергопотреблением, ограниченным диапазоном длин волн и низкой эффективностью.

В последние годы разработка высокопроизводительных полупроводниковых лазеров, генерирующих свет путем подачи тока, продвигалась параллельно с непрерывным развитием производственных технологий. К ним относятся устройства, излучающие ультрафиолетовый свет, на основе полупроводникового материала нитрида алюминия-галлия AlGaN. Однако их максимальная выходная оптическая мощность в глубокой УФ-области составляет всего около 150 мВт, что намного ниже мощности, необходимой для медицинских и промышленных применений. Увеличение инжекционного тока устройства имеет решающее значение для увеличения выходной мощности. Это требует увеличения размера устройства, а также обеспечения равномерного течения тока в устройстве.
В рамках этого исследования японская исследовательская группа под руководством профессора Мотоме Ивая из факультета материаловедения и инженерии Университета Мэйдзё успешно разработала высокопроизводительные вертикальные полупроводниковые лазерные диоды UV-B типа AlGaN. Исследование было опубликовано в журнале Applied Physics Letters.
Профессор Мотоме Ивая заявил, что существующие лазеры глубокого ультрафиолета на основе AlGaN используют изолирующие материалы, такие как сапфир и AlN, для получения высококачественных кристаллов. Но поскольку в этих устройствах ток течет латерально, для улучшения их светоотдачи ученые исследовали вертикальные устройства, в которых p- и n-электроды обращены друг к другу в pn-переходе. Но в последние несколько лет для реализации мощных полупроводниковых приборов стали использоваться вертикальные конфигурации. Но для полупроводниковых лазеров разработка таких конфигураций застопорилась и еще не реализована для светоизлучающих устройств глубокого ультрафиолета на основе нитрида алюминия. С этой целью исследователи сначала изготовили высококачественный нитрид алюминия на сапфировой подложке. Затем были сформированы периодические наностолбики нитрида алюминия, которые были нанесены с помощью лазерных структур на основе нитрида алюминия.
Команда использовала инновационную технику лазерной зачистки, основанную на импульсных твердотельных лазерах, для отделения структур устройства от подложки. Они также разработали полупроводниковый процесс изготовления электродов, токоограничивающих структур и изолирующих слоев, необходимых для лазерных колебаний, а также метод расщепления с использованием лезвий для формирования превосходных оптических резонаторов. Полученный в результате полупроводниковый лазерный диод глубокого УФ-В излучения на основе AlGaN обладает новыми и уникальными свойствами. Он работает при комнатной температуре, излучает чрезвычайно резкий свет с длиной волны 298,1 нм, имеет четко определенный пороговый ток и сильную поперечную электрическую поляризацию. Исследователи также наблюдали характерные для лазера пятна в дальнем поле, что подтверждает колебания устройства.
Исследование показывает, что вертикальные устройства могут обеспечивать большие токи для работы мощных устройств. В будущем он будет играть более важную роль в новых экономичных процессах производства электромобилей и искусственного интеллекта. Исследователи также надеются, что вертикальные УФ-лазеры на основе нитрида алюминия найдут практическое применение в медицинской и производственной сферах.