Realizácia vysokého optického výkonu vertikálnych ultrafialových polovodičových laserov! Sľubné praktické aplikácie v oblasti medicíny a laserového spracovania

Nedávno japonský výskumný študijný tím vyrobil vertikálne hlboko ultrafialové polovodičové laserové zariadenie na báze AlGaN, od ktorého sa očakáva použitie v oblasti laserového spracovania, biotechnológie a medicíny.
Ako všetci vieme, ultrafialové (UV) svetlo je elektromagnetické vlnenie s rozsahom vlnových dĺžok 100 až 380 nm. Tieto vlnové dĺžky možno rozdeliť do troch oblastí: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) a UV-C (100-280 nm). ), posledné dve oblasti obsahujú hlboké ultrafialové svetlo.
Laserové svetelné zdroje vyžarujúce v UV oblasti, ako sú plynové lasery a pevnolátkové lasery založené na harmonických ytrium-hliník-granátových laseroch, možno použiť v širokej škále aplikácií, vrátane biotechnológie, dermatologických ošetrení, UV vytvrdzovacích procesov a laserov. spracovanie. Takéto lasery však trpia veľkými rozmermi, vysokou spotrebou energie, obmedzeným rozsahom vlnových dĺžok a nízkou účinnosťou.

V posledných rokoch sa súbežne s neustálym vývojom výrobnej technológie podporuje vývoj vysokovýkonných polovodičových laserov, ktoré generujú svetlo vstrekovaním prúdu. Patria sem zariadenia vyžarujúce ultrafialové svetlo na báze polovodičového materiálu hliník-nitrid gália AlGaN. Ich maximálny optický výstupný výkon v hlbokej UV oblasti je však len asi 150 mW, čo je ďaleko pod výkonom potrebným pre medicínske a priemyselné aplikácie. Zvýšenie vstrekovacieho prúdu zariadenia je rozhodujúce pre zvýšenie výstupného výkonu. To si vyžaduje zväčšenie veľkosti zariadenia a tiež je potrebné zabezpečiť, aby prúd prúdil v zariadení rovnomerne.
V kontexte tohto výskumu japonský výskumný tím pod vedením Prof. Motome Iwaya z Katedry materiálovej vedy a inžinierstva na Univerzite Meijo úspešne vyvinul vysokovýkonné vertikálne UV-B polovodičové laserové diódy typu AlGaN. Štúdia bola publikovaná v časopise Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya uviedol, že existujúce hlbokoultrafialové lasery na báze AlGaN využívajú izolačné materiály ako zafír a AlN na získanie vysokokvalitných kryštálov. Ale pretože prúd prúdi bočne v týchto zariadeniach, aby sa zlepšil ich svetelný výkon, vedci skúmali vertikálne zariadenia, v ktorých sú p- a n-elektródy oproti sebe v pn križovatke. Ale v posledných rokoch sa na realizáciu vysokovýkonných polovodičových zariadení používali vertikálne konfigurácie. Ale v prípade polovodičových laserov vývoj takýchto konfigurácií stagnuje a zatiaľ sa nerealizoval pre zariadenia vyžarujúce hlboké ultrafialové svetlo na báze nitridu hliníka. Za týmto účelom výskumníci najskôr vyrobili vysoko kvalitný nitrid hliníka na zafírovom substráte. Potom sa vytvorili periodické nanopiliere z nitridu hliníka a naniesli sa laserovými štruktúrami na báze nitridu hliníka.
Tím využil inovatívnu techniku ​​laserového odstraňovania založenú na pulzných pevnolátkových laseroch na odstránenie štruktúr zariadenia zo substrátu. Vyvinuli tiež polovodičový proces na výrobu elektród, štruktúr obmedzujúcich prúd a izolačných vrstiev potrebných na laserové oscilácie a metódu štiepenia pomocou čepelí na vytvorenie vynikajúcich optických rezonátorov. Výsledná hĺbková UV-B laserová dióda na báze AlGaN má nové a jedinečné vlastnosti. Funguje pri izbovej teplote, vyžaruje extrémne ostré svetlo pri 298,1 nm, má dobre definovaný prahový prúd a silnú priečnu elektrickú polarizáciu. Výskumníci tiež pozorovali laserovo špecifický bodový vzor vzdialeného poľa, ktorý potvrdil oscilácie zariadenia.
Štúdia ukazuje, že vertikálne zariadenia môžu poskytovať vysoké prúdy pre prevádzku zariadení s vysokým výkonom. V budúcnosti bude hrať väčšiu úlohu v nových nákladovo efektívnych výrobných procesoch pre elektrické vozidlá a umelú inteligenciu, medzi inými. Vedci tiež dúfajú, že vertikálne UV lasery na báze nitridu hliníka nájdu praktické uplatnenie v medicínskych a výrobných oblastiach.