Realisering av høy optisk effekt av vertikale ultrafiolette halvlederlasere! Lovende praktiske bruksområder innen medisin og laserbehandling

Nylig har et japansk forskerteam laget en AlGaN-basert vertikal dyp ultrafiolett-emitterende halvlederlaserenhet, som forventes å bli brukt innen laserbehandling, bioteknologi og medisin.
Som vi alle vet, er ultrafiolett (UV) lys en elektromagnetisk bølge med et bølgelengdeområde på 100 til 380 nm. Disse bølgelengdene kan deles inn i tre områder: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) og UV-C (100-280 nm). ), de to sistnevnte områdene som inneholder dypt ultrafiolett lys.
Laserlyskilder som sender ut i UV-regionen, slik som gasslasere og solid-state lasere basert på harmoniske av yttrium-aluminium-granat-lasere, kan brukes i et bredt spekter av bruksområder, inkludert bioteknologi, dermatologiske behandlinger, UV-herdeprosesser og laser behandling. Imidlertid lider slike lasere av stor størrelse, høyt strømforbruk, begrenset bølgelengdeområde og lav effektivitet.

De siste årene har utviklingen av høyytelses halvlederlasere som genererer lys ved å injisere en strøm blitt fremmet parallelt med den kontinuerlige utviklingen av produksjonsteknologi. Disse inkluderer ultrafiolett lysemitterende enheter basert på halvledermaterialet aluminium galliumnitrid AlGaN. Imidlertid er deres maksimale optiske utgangseffekt i det dype UV-området bare rundt 150 mW, som er langt under kraften som kreves for medisinske og industrielle applikasjoner. Å øke enhetens injeksjonsstrøm er avgjørende for å øke utgangseffekten. Dette krever en økning i enhetsstørrelse og må også sikre at strømmen flyter jevnt i enheten.
I sammenheng med denne forskningen har et japansk forskerteam ledet av prof. Motome Iwaya ved Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved Meijo University med suksess utviklet høyytelses vertikale UV-B-halvlederlaserdioder av AlGaN-type. Studien ble publisert i tidsskriftet Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya har uttalt at eksisterende AlGaN-baserte dyp-ultrafiolette lasere bruker isolerende materialer som safir og AlN for å oppnå krystaller av høy kvalitet. Men fordi strømmen flyter sideveis i disse enhetene, for å forbedre lyseffekten deres, utforsket forskere vertikale enheter, der p- og n-elektrodene vender mot hverandre i et pn-kryss. Men de siste årene har vertikale konfigurasjoner blitt brukt for å realisere høyeffekts halvlederenheter. Men for halvlederlasere har utviklingen av slike konfigurasjoner vært stillestående og har ennå ikke blitt realisert for dyp-ultrafiolett lysemitterende enheter basert på aluminiumnitrid. For dette formål produserte forskerne først høykvalitets aluminiumnitrid på et safirsubstrat. Periodiske nanopilarer av aluminiumnitrid ble deretter dannet og avsatt med aluminiumnitridbaserte laserstrukturer.
Teamet brukte en innovativ laserstrippingsteknikk basert på pulserende solid-state lasere for å strippe enhetsstrukturene fra underlaget. De utviklet også en halvlederprosess for å fremstille elektrodene, strømbegrensende strukturer og isolerende lag som trengs for laseroscillasjoner, og en spaltemetode som bruker blader for å danne utmerkede optiske resonatorer. Den resulterende AlGaN-baserte dype UV-B halvlederlaserdioden har nye og unike egenskaper. Den fungerer ved romtemperatur, sender ut ekstremt skarpt lys ved 298,1 nm, har en veldefinert terskelstrøm og sterk tverrgående elektrisk polarisering. Forskerne observerte også et laserspesifikt flekklignende fjernfeltmønster, som bekrefter enhetens svingninger.
Studien viser at vertikale enheter kan gi høye strømmer for drift av enheter med høy effekt. I fremtiden vil den spille en større rolle i nye kostnadseffektive fabrikasjonsprosesser for blant annet elektriske kjøretøy og kunstig intelligens. Og forskerne håper også at aluminiumnitridbaserte vertikale UV-lasere vil finne praktiske anvendelser innen medisinsk og produksjonsfelt.