Realizarea de ieșire optică ridicată a laserelor cu semiconductor ultraviolet vertical! Aplicații practice promițătoare în domeniile medicinei și procesării cu laser

Recent, o echipă de cercetare japoneză a fabricat un dispozitiv laser semiconductor vertical cu emițăre ultravioletă profundă pe bază de AlGaN, care se așteaptă să fie aplicat în domeniile procesării laser, biotehnologiei și medicinei.
După cum știm cu toții, lumina ultravioletă (UV) este o undă electromagnetică cu un interval de lungimi de undă de 100 până la 380 nm. Aceste lungimi de undă pot fi împărțite în trei regiuni: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) și UV-C (100-280 nm). ), ultimele două regiuni conțin lumină ultravioletă profundă.
Sursele de lumină laser care emit în regiunea UV, cum ar fi laserele cu gaz și laserele cu stare solidă bazate pe armonici ale laserelor ytriu-aluminiu-granat, pot fi utilizate într-o gamă largă de aplicații, inclusiv biotehnologie, tratamente dermatologice, procese de întărire UV și laser. prelucrare. Cu toate acestea, astfel de lasere suferă de dimensiuni mari, consum mare de energie, interval limitat de lungimi de undă și eficiență scăzută.

În ultimii ani, dezvoltarea laserelor semiconductoare de înaltă performanță care generează lumină prin injectarea unui curent a fost promovată în paralel cu dezvoltarea continuă a tehnologiei de fabricație. Acestea includ dispozitive care emit lumină ultravioletă bazate pe materialul semiconductor, nitrură de galiu aluminiu AlGaN. Cu toate acestea, puterea lor optică maximă de ieșire în regiunea UV profundă este de numai aproximativ 150 mW, ceea ce este cu mult sub puterea necesară pentru aplicațiile medicale și industriale. Creșterea curentului de injecție al dispozitivului este esențială pentru creșterea puterii de ieșire. Acest lucru necesită o creștere a dimensiunii dispozitivului și, de asemenea, trebuie să se asigure că curentul curge uniform în dispozitiv.
În contextul acestei cercetări, o echipă de cercetare japoneză condusă de prof. Motome Iwaya de la Departamentul de Știința și Inginerie a Materialelor de la Universitatea Meijo a dezvoltat cu succes diode laser semiconductoare UV-B verticale de înaltă performanță de tip AlGaN. Studiul a fost publicat în revista Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya a declarat că laserele ultraviolete profunde pe bază de AlGaN utilizează materiale izolante precum safirul și AlN pentru a obține cristale de înaltă calitate. Dar, pentru că curentul curge lateral în aceste dispozitive, pentru a le îmbunătăți puterea de lumină, oamenii de știință au explorat dispozitive verticale, în care electrozii p și n se confruntă unul cu celălalt într-o joncțiune pn. Dar în ultimii câțiva ani, configurațiile verticale au fost folosite pentru a realiza dispozitive semiconductoare de mare putere. Dar pentru laserele cu semiconductor, dezvoltarea unor astfel de configurații a fost stagnantă și nu a fost încă realizată pentru dispozitivele care emit lumină ultravioletă profundă pe bază de nitrură de aluminiu. În acest scop, cercetătorii au fabricat mai întâi nitrură de aluminiu de înaltă calitate pe un substrat de safir. Au fost apoi formați și depuși nanopălpi periodici de nitrură de aluminiu cu structuri laser pe bază de nitrură de aluminiu.
Echipa a folosit o tehnică inovatoare de stripare cu laser bazată pe lasere cu stare solidă pulsate pentru a îndepărta structurile dispozitivului de pe substrat. Ei au dezvoltat, de asemenea, un proces semiconductor pentru a fabrica electrozii, structurile de limitare a curentului și straturile izolatoare necesare pentru oscilațiile laser și o metodă de scindare folosind lame pentru a forma rezonatoare optice excelente. Dioda laser cu semiconductor UV-B pe bază de AlGaN rezultată are proprietăți noi și unice. Funcționează la temperatura camerei, emite lumină extrem de ascuțită la 298,1 nm, are un curent de prag bine definit și polarizare electrică transversală puternică. Cercetătorii au observat, de asemenea, un model de câmp îndepărtat, asemănător unui punct cu laser, confirmând oscilațiile dispozitivului.
Studiul demonstrează că dispozitivele verticale pot furniza curenți mari pentru funcționarea dispozitivelor de mare putere. În viitor, va juca un rol mai important în noile procese de fabricație rentabile pentru vehicule electrice și inteligență artificială, printre altele. Iar cercetătorii speră, de asemenea, că laserele UV verticale pe bază de nitrură de aluminiu vor găsi aplicații practice în domeniul medical și al producției.