Realisierung einer hohen optischen Leistung vertikaler Ultraviolett-Halbleiterlaser! Vielversprechende praktische Anwendungen in den Bereichen Medizin und Laserbearbeitung

Kürzlich hat ein japanisches Forschungsteam einen Halbleiterlaser auf AlGaN-Basis hergestellt, der vertikales tiefes Ultraviolett emittiert und voraussichtlich in den Bereichen Laserbearbeitung, Biotechnologie und Medizin Anwendung finden wird.
Wie wir alle wissen, ist ultraviolettes (UV) Licht eine elektromagnetische Welle mit einem Wellenlängenbereich von 100 bis 380 nm. Diese Wellenlängen können in drei Bereiche unterteilt werden: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) und UV-C (100-280 nm). ), wobei die beiden letztgenannten Bereiche tiefes ultraviolettes Licht enthalten.
Im UV-Bereich emittierende Laserlichtquellen wie Gaslaser und Festkörperlaser, die auf Harmonischen von Yttrium-Aluminium-Granat-Lasern basieren, können in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt werden, darunter Biotechnologie, dermatologische Behandlungen, UV-Härtungsverfahren und Laser wird bearbeitet. Allerdings weisen solche Laser große Abmessungen, einen hohen Stromverbrauch, einen begrenzten Wellenlängenbereich und einen geringen Wirkungsgrad auf.

Parallel zur kontinuierlichen Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie wurde in den letzten Jahren die Entwicklung von Hochleistungs-Halbleiterlasern vorangetrieben, die durch Einspeisung eines Stroms Licht erzeugen. Dazu gehören ultraviolettes Licht emittierende Bauelemente auf Basis des Halbleitermaterials Aluminiumgalliumnitrid AlGaN. Allerdings beträgt ihre maximale optische Ausgangsleistung im tiefen UV-Bereich nur etwa 150 mW und liegt damit weit unter der für medizinische und industrielle Anwendungen erforderlichen Leistung. Die Erhöhung des Injektionsstroms des Geräts ist entscheidend für die Steigerung der Ausgangsleistung. Dies erfordert eine Vergrößerung der Gerätegröße und muss außerdem sicherstellen, dass der Strom gleichmäßig im Gerät fließt.
Im Rahmen dieser Forschung hat ein japanisches Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Motome Iwaya vom Department of Materials Science and Engineering der Meijo-Universität erfolgreich leistungsstarke vertikale UV-B-Halbleiterlaserdioden vom AlGaN-Typ entwickelt. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht.
Prof. Motome Iwaya hat erklärt, dass bestehende Tiefultraviolettlaser auf AlGaN-Basis isolierende Materialien wie Saphir und AlN verwenden, um hochwertige Kristalle zu erhalten. Da der Strom in diesen Geräten jedoch seitlich fließt, untersuchten Wissenschaftler zur Verbesserung ihrer Lichtausbeute vertikale Geräte, bei denen sich die p- und n-Elektroden in einem pn-Übergang gegenüberstehen. Seit einigen Jahren werden jedoch vertikale Konfigurationen zur Realisierung von Halbleiterbauelementen mit hoher Leistung verwendet. Aber bei Halbleiterlasern stagniert die Entwicklung solcher Konfigurationen und ist für tief-ultraviolette Licht emittierende Geräte auf Basis von Aluminiumnitrid noch nicht realisiert. Zu diesem Zweck stellten die Forscher zunächst hochwertiges Aluminiumnitrid auf einem Saphirsubstrat her. Anschließend wurden periodische Aluminiumnitrid-Nanosäulen gebildet und mit Laserstrukturen auf Aluminiumnitridbasis abgeschieden.
Das Team nutzte eine innovative Laser-Stripping-Technik, die auf gepulsten Festkörperlasern basiert, um die Gerätestrukturen vom Substrat zu entfernen. Sie entwickelten außerdem einen Halbleiterprozess zur Herstellung der für Laseroszillationen erforderlichen Elektroden, strombegrenzenden Strukturen und Isolierschichten sowie eine Spaltungsmethode mit Klingen zur Bildung hervorragender optischer Resonatoren. Die resultierende AlGaN-basierte Tief-UV-B-Halbleiterlaserdiode verfügt über neuartige und einzigartige Eigenschaften. Es arbeitet bei Raumtemperatur, emittiert extrem scharfes Licht bei 298,1 nm, hat einen genau definierten Schwellenstrom und eine starke transversale elektrische Polarisation. Die Forscher beobachteten außerdem ein laserspezifisches punktförmiges Fernfeldmuster, was die Schwingungen des Geräts bestätigte.
Die Studie zeigt, dass vertikale Geräte hohe Ströme für den Betrieb von Hochleistungsgeräten bereitstellen können. Künftig wird es unter anderem bei neuen kostengünstigen Herstellungsprozessen für Elektrofahrzeuge und künstliche Intelligenz eine größere Rolle spielen. Und die Forscher hoffen auch, dass vertikale UV-Laser auf Aluminiumnitridbasis praktische Anwendungen in der Medizin und in der Fertigung finden.