Vertikaalsete ultraviolettpooljuhtlaserite kõrge optilise väljundi realiseerimine! Paljutõotavad praktilised rakendused meditsiini ja lasertöötluse valdkondades

Hiljuti valmistas Jaapani uurimisrühm AlGaN-põhise vertikaalse sügava ultraviolettkiirgust kiirgava pooljuhtlaseri seadme, mida loodetakse rakendada lasertöötluse, biotehnoloogia ja meditsiini valdkondades.
Nagu me kõik teame, on ultraviolettvalgus (UV) elektromagnetlaine, mille lainepikkuste vahemik on 100–380 nm. Need lainepikkused võib jagada kolme piirkonda: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) ja UV-C (100-280 nm). ), viimased kaks piirkonda sisaldavad sügavat ultraviolettvalgust.
UV-piirkonnas kiirgavaid laservalgusallikaid, nagu ütrium-alumiinium-granaatlaserite harmoonilistel põhinevad gaasilaserid ja tahkislaserid, saab kasutada paljudes rakendustes, sealhulgas biotehnoloogias, dermatoloogilises ravis, UV-kõvastumisprotsessides ja laseris. töötlemine. Kuid sellised laserid kannatavad suurte mõõtmete, suure energiatarbimise, piiratud lainepikkuse vahemiku ja madala efektiivsuse tõttu.

Viimastel aastatel on paralleelselt tootmistehnoloogia pideva arendamisega edendatud suure jõudlusega pooljuhtlaserite väljatöötamist, mis genereerivad valgust voolu süstimise teel. Nende hulka kuuluvad ultraviolettvalgust kiirgavad seadmed, mis põhinevad pooljuhtmaterjalil alumiinium-galliumnitriidil AlGaN. Kuid nende maksimaalne optiline väljundvõimsus sügavas UV-piirkonnas on vaid umbes 150 mW, mis on palju väiksem kui meditsiinilistes ja tööstuslikes rakendustes nõutav võimsus. Seadme sissepritsevoolu suurendamine on väljundvõimsuse suurendamiseks kriitilise tähtsusega. See eeldab seadme suuruse suurendamist ja peab ühtlasi tagama, et vool voolab seadmes ühtlaselt.
Selle uurimistöö kontekstis on Jaapani uurimisrühm, mida juhib prof Motome Iwaya Meijo ülikooli materjaliteaduse ja tehnika osakonnast, edukalt välja töötanud suure jõudlusega vertikaalsed AlGaN-tüüpi UV-B pooljuhtlaserdioodid. Uuring avaldati ajakirjas Applied Physics Letters.
Prof Motome Iwaya on väitnud, et olemasolevad AlGaN-põhised sügav-ultraviolettlaserid kasutavad kvaliteetsete kristallide saamiseks isoleermaterjale, nagu safiir ja AlN. Kuid kuna vool liigub nendes seadmetes külgsuunas, uurisid teadlased nende valgusvõimsuse parandamiseks vertikaalseid seadmeid, milles p- ja n-elektroodid on üksteise vastas pn-siirdes. Kuid viimastel aastatel on suure võimsusega pooljuhtseadmete realiseerimiseks kasutatud vertikaalseid konfiguratsioone. Kuid pooljuhtlaserite puhul on selliste konfiguratsioonide väljatöötamine seisma jäänud ja alumiiniumnitriidil põhinevate sügav-ultraviolettvalgust kiirgavate seadmete puhul pole seda veel realiseeritud. Selleks valmistasid teadlased esmalt kvaliteetse alumiiniumnitriidi safiirsubstraadile. Seejärel moodustati perioodilised alumiiniumnitriidi nanopillid ja sadestati alumiiniumnitriidipõhiste laserstruktuuridega.
Meeskond kasutas seadme struktuuride substraadilt eemaldamiseks uuenduslikku laseri eemaldamise tehnikat, mis põhines impulss-tahkelaseritel. Samuti töötasid nad välja pooljuhtprotsessi laservõnkumiseks vajalike elektroodide, voolu piiravate struktuuride ja isolatsioonikihtide valmistamiseks ning lõikamismeetodi, milles kasutatakse labasid suurepäraste optiliste resonaatorite moodustamiseks. Saadud AlGaN-põhisel sügaval UV-B pooljuhtlaseriga dioodil on uudsed ja ainulaadsed omadused. See töötab toatemperatuuril, kiirgab äärmiselt teravat valgust lainepikkusel 298,1 nm, sellel on täpselt määratletud lävivool ja tugev põikelektriline polarisatsioon. Teadlased jälgisid ka laserspetsiifilist täpitaolist kaugvälja mustrit, mis kinnitas seadme võnkumisi.
Uuring näitab, et vertikaalsed seadmed võivad pakkuda suure võimsusega seadmete tööks suurt voolu. Tulevikus mängib see suuremat rolli muu hulgas elektrisõidukite ja tehisintellekti uutes kuluefektiivsetes tootmisprotsessides. Samuti loodavad teadlased, et alumiiniumnitriidil põhinevad vertikaalsed UV-laserid leiavad praktilisi rakendusi meditsiini- ja tootmisvaldkondades.