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

Nedavno je japanski istraživački studijski tim izradio vertikalni poluvodički laserski uređaj duboke ultraljubičaste emisije temeljen na AlGaN, za koji se očekuje da će se primijeniti u poljima laserske obrade, biotehnologije i medicine.
Kao što svi znamo, ultraljubičasto (UV) svjetlo je elektromagnetski val s rasponom valnih duljina od 100 do 380 nm. Ove se valne duljine mogu podijeliti u tri područja: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) i UV-C (100-280 nm). ), posljednja dva područja sadrže duboko ultraljubičasto svjetlo.
Laserski izvori svjetlosti koji emitiraju u UV području, kao što su plinski laseri i laseri u čvrstom stanju koji se temelje na harmonicima itrij-aluminij-granat lasera, mogu se koristiti u širokom rasponu primjena, uključujući biotehnologiju, dermatološke tretmane, postupke UV stvrdnjavanja i laser obrada. Međutim, takvi laseri pate od velike veličine, velike potrošnje energije, ograničenog raspona valnih duljina i niske učinkovitosti.

Posljednjih godina paralelno s kontinuiranim razvojem proizvodne tehnologije promiče se razvoj visokoučinkovitih poluvodičkih lasera koji generiraju svjetlost ubrizgavanjem struje. To uključuje uređaje za emitiranje ultraljubičastog svjetla koji se temelje na poluvodičkom materijalu aluminij galij nitridu AlGaN. Međutim, njihova najveća 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. To zahtijeva povećanje veličine uređaja i također treba osigurati da struja jednoliko teče u uređaju.
U kontekstu ovog istraživanja, japanski istraživački tim predvođen prof. Motome Iwayom s Odjela za znanost o materijalima i inženjerstvo na Sveučilištu Meijo uspješno je razvio vertikalne UV-B poluvodičke laserske diode visokih performansi tipa AlGaN. Studija je objavljena u časopisu Applied Physics Letters.
Profesor Motome Iwaya izjavio je da postojeći duboki ultraljubičasti laseri na bazi AlGaN koriste izolacijske materijale kao što su safir i AlN za dobivanje kristala visoke kvalitete. Ali budući da struja teče bočno u ovim uređajima, kako bi poboljšali njihov izlaz svjetla, znanstvenici su istraživali okomite uređaje u kojima su p- i n-elektrode okrenute jedna prema drugoj u pn spoju. Ali posljednjih nekoliko godina, okomite konfiguracije su korištene za realizaciju poluvodičkih uređaja velike snage. Ali za poluvodičke lasere, razvoj takvih konfiguracija stagnira i još nije realiziran za uređaje koji emitiraju duboko ultraljubičasto svjetlo temeljene na aluminijevom nitridu. U tu svrhu, istraživači su prvo proizveli visokokvalitetni aluminijev nitrid na safirnoj podlozi. Potom su formirani periodični nanostupovi aluminijevog nitrida i taloženi laserskim strukturama na bazi aluminijevog nitrida.
Tim je upotrijebio inovativnu tehniku ​​laserskog skidanja temeljenu na pulsirajućim laserima čvrstog stanja kako bi skinuo strukture uređaja sa supstrata. Također su razvili poluvodički postupak za izradu elektroda, struktura za ograničavanje struje i izolacijskih slojeva potrebnih za laserske oscilacije, te metodu cijepanja pomoću oštrica za formiranje izvrsnih optičkih rezonatora. Dobivena duboka UV-B poluvodička laserska dioda na bazi AlGaN ima nova i jedinstvena svojstva. Radi na sobnoj temperaturi, emitira iznimno oštro svjetlo na 298,1 nm, ima dobro definiranu struju praga i jaku transverzalnu električnu polarizaciju. Istraživači su također uočili uzorak dalekog polja specifičan za laser, što potvrđuje oscilacije uređaja.
Studija pokazuje da okomiti 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 aluminijevog nitrida pronaći praktičnu primjenu u medicini i proizvodnji.