Realizacija visokog optičkog izlaza vertikalnih ultraljubičastih poluprovodničkih lasera! Obećavajuće praktične primjene u oblastima medicine i laserske obrade

Nedavno je japanski istraživački tim proizveo vertikalni laserski uređaj sa dubokim ultraljubičastim zračenjem zasnovan na AlGaN-u, za koji se očekuje da će biti primijenjen u oblastima laserske obrade, biotehnologije i medicine.
Kao što svi znamo, ultraljubičasto (UV) svjetlo je elektromagnetski val s rasponom valnih dužina od 100 do 380 nm. Ove talasne dužine se mogu podijeliti u tri regije: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) i UV-C (100-280 nm). ), posljednja dva regiona sadrže duboko ultraljubičasto svjetlo.
Laserski izvori svjetlosti koji emituju u UV području, kao što su plinski laseri i laseri u čvrstom stanju na bazi harmonika itrijum-aluminij-granatnih lasera, mogu se koristiti u širokom spektru primjena, uključujući biotehnologiju, dermatološke tretmane, procese UV stvrdnjavanja i lasera obrada. Međutim, takvi laseri pate od velike veličine, velike potrošnje energije, ograničenog raspona talasnih dužina i niske efikasnosti.

Posljednjih godina, razvoj poluvodičkih lasera visokih performansi koji generiraju svjetlost ubrizgavanjem struje promoviran je paralelno s kontinuiranim razvojem proizvodne tehnologije. Tu spadaju uređaji koji emituju ultraljubičasto svetlo na bazi poluprovodničkog materijala aluminijum-galijum nitrida AlGaN. Međutim, njihova maksimalna optička izlazna snaga u dubokom UV području je samo oko 150 mW, što je daleko ispod snage potrebne za medicinske i industrijske primjene. Povećanje struje ubrizgavanja uređaja ključno je za povećanje izlazne snage. Ovo zahtijeva povećanje veličine uređaja i također mora osigurati da struja teče jednoliko u uređaju.
U kontekstu ovog istraživanja, japanski istraživački tim predvođen prof. Motomeom Iwayaom sa Odsjeka za nauku o materijalima i inženjerstvo na Univerzitetu Meijo uspješno je razvio vertikalne AlGaN tipa UV-B poluprovodničke laserske diode visokih performansi. Studija je objavljena u časopisu Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya je izjavio da postojeći laseri dubokog ultraljubičastog zračenja na bazi AlGaN koriste izolacijske materijale kao što su safir i AlN za dobijanje visokokvalitetnih kristala. Ali kako struja teče bočno u ovim uređajima, kako bi poboljšali njihov izlaz svjetlosti, naučnici su istraživali vertikalne uređaje, u kojima su p- i n-elektrode okrenute jedna prema drugoj u pn spoju. Ali posljednjih nekoliko godina, vertikalne konfiguracije su korištene za realizaciju poluvodičkih uređaja velike snage. Ali za poluvodičke lasere, razvoj takvih konfiguracija je stagnirao i još nije ostvaren za uređaje koji emituju duboko ultraljubičasto svjetlo na bazi aluminij nitrida. U tu svrhu, istraživači su prvo proizveli visokokvalitetni aluminijum nitrid na safirnoj podlozi. Periodični nanostubovi aluminijum nitrida su zatim formirani i deponovani laserskim strukturama na bazi aluminijum nitrida.
Tim je koristio inovativnu tehniku ​​laserskog odstranjivanja baziranu na impulsnim laserima u čvrstom stanju kako bi odvojio strukture uređaja od podloge. Takođe su razvili poluprovodnički proces za proizvodnju elektroda, struktura koje ograničavaju struju i izolacionih slojeva potrebnih za laserske oscilacije, kao i metodu cijepanja pomoću oštrica za formiranje odličnih optičkih rezonatora. Rezultirajuća duboka UV-B poluvodička laserska dioda na bazi AlGaN ima nova i jedinstvena svojstva. Radi na sobnoj temperaturi, emituje izuzetno oštru svjetlost na 298,1 nm, ima dobro definiranu graničnu struju i snažnu poprečnu električnu polarizaciju. Istraživači su također uočili uzorak dalekog polja specifičan za laser, potvrđujući oscilacije uređaja.
Studija pokazuje da vertikalni uređaji mogu osigurati velike struje za rad uređaja velike snage. U budućnosti će igrati veću ulogu u novim, isplativim procesima proizvodnje električnih vozila i umjetne inteligencije, između ostalog. Istraživači se također nadaju da će vertikalni UV laseri na bazi aluminij nitrida naći praktičnu primjenu u medicinskim i proizvodnim poljima.