Реализация на висока оптична мощност на вертикални ултравиолетови полупроводникови лазери! Обещаващи практически приложения в областта на медицината и лазерната обработка

Наскоро японски изследователски екип изработи базирано на AlGaN вертикално полупроводниково лазерно устройство с дълбоко ултравиолетово излъчване, което се очаква да бъде приложено в областта на лазерната обработка, биотехнологиите и медицината.
Както всички знаем, ултравиолетовата (UV) светлина е електромагнитна вълна с дължина на вълната от 100 до 380 nm. Тези дължини на вълните могат да бъдат разделени на три области: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) и UV-C (100-280 nm). ), последните два региона, съдържащи дълбока ултравиолетова светлина.
Лазерни източници на светлина, излъчващи в UV областта, като газови лазери и лазери в твърдо състояние, базирани на хармоници на лазери с итрий-алуминий-гранат, могат да се използват в широк спектър от приложения, включително биотехнологии, дерматологични лечения, процеси на UV втвърдяване и лазер обработка. Такива лазери обаче страдат от големи размери, висока консумация на енергия, ограничен диапазон на дължина на вълната и ниска ефективност.

През последните години разработването на високоефективни полупроводникови лазери, които генерират светлина чрез инжектиране на ток, беше насърчавано успоредно с непрекъснатото развитие на производствените технологии. Те включват устройства, излъчващи ултравиолетова светлина, базирани на полупроводниковия материал алуминиев галиев нитрид AlGaN. Въпреки това, тяхната максимална оптична изходна мощност в дълбоката UV област е само около 150 mW, което е далеч под мощността, необходима за медицински и индустриални приложения. Увеличаването на тока на инжектиране на устройството е от решаващо значение за увеличаване на изходната мощност. Това изисква увеличаване на размера на устройството и също така трябва да се гарантира, че токът протича равномерно в устройството.
В контекста на това изследване, японски изследователски екип, ръководен от проф. Motome Iwaya от катедрата по материалознание и инженерство в университета Meijo, успешно разработи високопроизводителни вертикални UV-B полупроводникови лазерни диоди тип AlGaN. Изследването е публикувано в списанието Applied Physics Letters.
Проф. Motome Iwaya заяви, че съществуващите базирани на AlGaN дълбоки ултравиолетови лазери използват изолационни материали като сапфир и AlN за получаване на висококачествени кристали. Но тъй като токът тече странично в тези устройства, за да подобрят тяхната светлинна мощност, учените изследваха вертикални устройства, в които p- и n-електродите са обърнати един към друг в pn преход. Но през последните няколко години вертикалните конфигурации се използват за реализиране на полупроводникови устройства с висока мощност. Но за полупроводниковите лазери развитието на такива конфигурации е в застой и все още не е реализирано за устройства, излъчващи дълбока ултравиолетова светлина, базирани на алуминиев нитрид. За тази цел изследователите първо изработиха висококачествен алуминиев нитрид върху сапфирен субстрат. След това се формират периодични наноколони от алуминиев нитрид и се отлагат с лазерни структури на базата на алуминиев нитрид.
Екипът използва новаторска техника за лазерно отстраняване, базирана на импулсни лазери в твърдо състояние, за да премахне структурите на устройството от субстрата. Те също така разработиха полупроводников процес за производство на електроди, структури за ограничаване на тока и изолационни слоеве, необходими за лазерни трептения, както и метод на разцепване, използващ остриета за формиране на отлични оптични резонатори. Полученият дълбок UV-B полупроводников лазерен диод на базата на AlGaN има нови и уникални свойства. Той работи при стайна температура, излъчва изключително остра светлина при 298,1 nm, има добре дефиниран прагов ток и силна напречна електрическа поляризация. Изследователите също така наблюдават лазерно-специфичен модел на далечно поле, подобен на петно, потвърждавайки трептенията на устройството.
Проучването показва, че вертикалните устройства могат да осигурят високи токове за работа на устройства с висока мощност. В бъдеще той ще играе по-голяма роля в нови икономически ефективни производствени процеси за електрически превозни средства и изкуствен интелект, наред с други. Изследователите също така се надяват, че базираните на алуминиев нитрид вертикални UV лазери ще намерят практически приложения в медицинските и производствените области.