Realisering af høj optisk output af vertikale ultraviolette halvlederlasere! Lovende praktiske anvendelser inden for medicin og laserbehandling

For nylig har et japansk forskerteam fremstillet en AlGaN-baseret vertikal dyb ultraviolet-emitterende halvlederlaseranordning, som forventes at blive anvendt inden for laserbehandling, bioteknologi og medicin.
Som vi alle ved, er ultraviolet (UV) lys en elektromagnetisk bølge med et bølgelængdeområde på 100 til 380 nm. Disse bølgelængder kan opdeles i tre områder: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) og UV-C (100-280 nm). ), de to sidstnævnte områder, der indeholder dybt ultraviolet lys.
Laserlyskilder, der udsender i UV-regionen, såsom gaslasere og solid-state lasere baseret på harmoniske af yttrium-aluminium-granat-lasere, kan bruges i en lang række applikationer, herunder bioteknologi, dermatologiske behandlinger, UV-hærdningsprocesser og laser forarbejdning. Sådanne lasere lider imidlertid af stor størrelse, højt strømforbrug, begrænset bølgelængdeområde og lav effektivitet.

I de senere år er udviklingen af ​​højtydende halvlederlasere, der genererer lys ved at indsprøjte en strøm, blevet fremmet parallelt med den kontinuerlige udvikling af produktionsteknologi. Disse omfatter ultraviolet lysemitterende enheder baseret på halvledermaterialet aluminium galliumnitrid AlGaN. Deres maksimale optiske udgangseffekt i det dybe UV-område er dog kun omkring 150 mW, hvilket er langt under den effekt, der kræves til medicinske og industrielle applikationer. Forøgelse af enhedens injektionsstrøm er afgørende for at øge udgangseffekten. Dette kræver en stigning i enhedsstørrelse og skal også sikre, at strømmen flyder ensartet i enheden.
I forbindelse med denne forskning har et japansk forskerhold ledet af prof. Motome Iwaya fra Institut for Materialevidenskab og Engineering ved Meijo Universitet med succes udviklet højtydende vertikale AlGaN-type UV-B halvlederlaserdioder. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya har udtalt, at eksisterende AlGaN-baserede dyb-ultraviolette lasere anvender isolerende materialer såsom safir og AlN til at opnå krystaller af høj kvalitet. Men fordi strømmen flyder sideværts i disse enheder, for at forbedre deres lysoutput, udforskede forskere vertikale enheder, hvor p- og n-elektroderne vender mod hinanden i et pn-kryds. Men i de sidste par år er vertikale konfigurationer blevet brugt til at realisere højeffekt halvlederenheder. Men for halvlederlasere har udviklingen af ​​sådanne konfigurationer været stagnerende og er endnu ikke blevet realiseret for dyb-ultraviolet lysemitterende enheder baseret på aluminiumnitrid. Til dette formål fremstillede forskerne først højkvalitets aluminiumnitrid på et safirsubstrat. Periodiske nanopiller af aluminiumnitrid blev derefter dannet og aflejret med aluminiumnitrid-baserede laserstrukturer.
Holdet brugte en innovativ laserstripningsteknik baseret på pulserende solid-state lasere til at strippe enhedsstrukturerne fra substratet. De udviklede også en halvlederproces til at fremstille de elektroder, strømbegrænsende strukturer og isolerende lag, der er nødvendige til laseroscillationer, og en spaltningsmetode, der bruger blade til at danne fremragende optiske resonatorer. Den resulterende AlGaN-baserede dybe UV-B halvlederlaserdiode har nye og unikke egenskaber. Den fungerer ved stuetemperatur, udsender ekstremt skarpt lys ved 298,1 nm, har en veldefineret tærskelstrøm og stærk tværgående elektrisk polarisering. Forskerne observerede også et laserspecifikt spot-lignende fjernfeltsmønster, hvilket bekræfter enhedens svingninger.
Undersøgelsen viser, at vertikale enheder kan levere høje strømme til driften af ​​højeffektenheder. I fremtiden vil det spille en større rolle i nye omkostningseffektive fremstillingsprocesser til blandt andet elbiler og kunstig intelligens. Og forskerne håber også, at aluminiumnitrid-baserede vertikale UV-lasere vil finde praktiske anvendelser inden for medicinske og produktionsmæssige områder.