Didelės vertikalių ultravioletinių puslaidininkinių lazerių optinės išvesties realizavimas! Daug žadantys praktiniai pritaikymai medicinos ir lazerinio apdorojimo srityse

Neseniai Japonijos tyrimų grupė sukūrė AlGaN pagrindu sukurtą vertikalų giluminį ultravioletinius spindulius skleidžiantį puslaidininkinį lazerinį įrenginį, kurį tikimasi pritaikyti lazerinio apdorojimo, biotechnologijų ir medicinos srityse.
Kaip visi žinome, ultravioletinė (UV) šviesa yra elektromagnetinė banga, kurios bangų ilgių diapazonas yra nuo 100 iki 380 nm. Šiuos bangos ilgius galima suskirstyti į tris sritis: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) ir UV-C (100-280 nm). ), pastarosiose dviejose srityse yra gilios ultravioletinės šviesos.
Lazeriniai šviesos šaltiniai, spinduliuojantys UV srityje, pavyzdžiui, dujiniai lazeriai ir kietojo kūno lazeriai, pagrįsti itrio-aliuminio-granato lazerių harmonikomis, gali būti naudojami įvairiose srityse, įskaitant biotechnologijas, dermatologinį gydymą, UV kietėjimo procesus ir lazerį. apdorojimas. Tačiau tokie lazeriai kenčia dėl didelio dydžio, didelio energijos suvartojimo, riboto bangos ilgio diapazono ir mažo efektyvumo.

Pastaraisiais metais lygiagrečiai su nuolatine gamybos technologija buvo skatinama kurti didelio našumo puslaidininkinius lazerius, kurie generuoja šviesą įpurškiant srovę. Tai apima ultravioletinę šviesą skleidžiančius prietaisus, kurių pagrindą sudaro puslaidininkinė medžiaga aliuminio galio nitridas AlGaN. Tačiau didžiausia jų optinė išvesties galia gilioje UV srityje yra tik apie 150 mW, o tai yra daug mažesnė už galią, reikalingą medicinoje ir pramonėje. Įrenginio įpurškimo srovės padidinimas yra labai svarbus norint padidinti išėjimo galią. Tam reikia padidinti įrenginio dydį ir užtikrinti, kad srovė įrenginyje tekėtų tolygiai.
Šio tyrimo kontekste Japonijos mokslininkų grupė, vadovaujama Meijo universiteto Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros prof. Motome Iwaya, sėkmingai sukūrė didelio našumo vertikalius AlGaN tipo UV-B puslaidininkinius lazerinius diodus. Tyrimas buvo paskelbtas žurnale Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya teigė, kad esami AlGaN pagrindu pagaminti giliųjų ultravioletinių spindulių lazeriai naudoja izoliacines medžiagas, tokias kaip safyras ir AlN, kad gautų aukštos kokybės kristalus. Tačiau kadangi srovė teka į šonus šiuose įrenginiuose, kad pagerintų jų šviesos srautą, mokslininkai ištyrė vertikalius įrenginius, kuriuose p ir n elektrodai yra vienas prieš kitą pn sandūroje. Tačiau pastaruosius kelerius metus vertikalios konfigūracijos buvo naudojamos didelės galios puslaidininkiniams įrenginiams realizuoti. Tačiau puslaidininkiniams lazeriams tokių konfigūracijų kūrimas sustojo ir dar nebuvo įgyvendintas aliuminio nitrido pagrindu pagamintų giliųjų ultravioletinių spindulių šviesą spinduliuojantiems įrenginiams. Šiuo tikslu mokslininkai pirmiausia pagamino aukštos kokybės aliuminio nitridą ant safyro pagrindo. Tada buvo suformuoti periodiniai aliuminio nitrido nanostulpeliai ir nusodinti aliuminio nitrido pagrindu pagamintomis lazerinėmis struktūromis.
Komanda panaudojo naujovišką lazerinio pašalinimo techniką, pagrįstą impulsiniais kietojo kūno lazeriais, kad pašalintų įrenginio struktūras nuo pagrindo. Jie taip pat sukūrė puslaidininkinį procesą, skirtą elektrodams, srovę ribojančioms konstrukcijoms ir izoliaciniams sluoksniams, reikalingiems lazerio virpesiams gaminti, ir skilimo metodą, naudojant peiliukus, kad suformuotų puikius optinius rezonatorius. Gautas AlGaN pagrindu pagamintas gilus UV-B puslaidininkinis lazerinis diodas turi naujų ir unikalių savybių. Jis veikia kambario temperatūroje, skleidžia itin ryškią 298,1 nm šviesą, turi aiškiai apibrėžtą slenkstinę srovę ir stiprią skersinę elektrinę poliarizaciją. Tyrėjai taip pat pastebėjo lazeriui būdingą taškinį tolimojo lauko modelį, patvirtinantį prietaiso svyravimus.
Tyrimas rodo, kad vertikalūs įrenginiai gali užtikrinti didelę srovę didelės galios įrenginių veikimui. Ateityje jis vaidins didesnį vaidmenį naujuose ekonomiškai efektyviuose elektromobilių ir dirbtinio intelekto gamybos procesuose, be kita ko. Tyrėjai taip pat tikisi, kad aliuminio nitrido pagrindu pagaminti vertikalūs UV lazeriai bus praktiškai pritaikyti medicinos ir gamybos srityse.