康奈尔大学开发出DUV光半导体激光器，可实现多种应用

2022-04-13 15:45

近期，康奈尔大学的研究人员成功演示了一种光泵浦的铝氮化镓(AlGaN)基多模激光器，该激光器能够以低模态线宽和波长低于300 nm的波长发出深紫外(DUV)光。这种DUV发射器可用于病原体检测和灭菌、水净化、气敏、光刻、量子计算与计量。

图片来源：康奈尔大学官网

科学家和工程师们都在寻找更高质量、更高效的紫外光发射源，但要想实现这一点，半导体材料是一个挑战。宽带隙半导体表现出低载流子迁移率，大掺杂活化能，以及电子和空穴输运之间的不对称。该团队通过使用AlGaN半导体材料系统来开发高质量的DUV发射器，并克服了这些挑战。

“众所周知，这是一种合适的材料，但它是一个材料合成的问题。挑战在于如何使材料足够纯净，使它们真正有用，并能满足激光的要求。”研究人员Len van Deurzen表示。

该团队使用等离子体辅助分子束外延(一种晶体生长技术)来生长打造出高质量的氮化铝(AlN)晶体。之后，他们采用分子束外延法在单晶AlN上生长出AlGaN双异质结构。

研究人员们需要多个氮化铝镓层相互叠加，其中一个重要的参数是这些层之间的界面质量。他们可以在没有杂质和位错的情况下，生长出非常锋利的界面。

Len van Deurzen在一个用于操作DUV激光发射设备的实验室中工作。他领导了一个团队，开发了一种DUV半导体激光器，该激光器具有广泛的潜在用途，如在光刻技术中。

为了捕获并激发发射的光，研究人员从堆叠层中创建了一个光学腔。利用外延AlN/AlGaN双异质结构，他们制作了边缘发射的脊基Fabry-Pérot空腔。他们通过结合的各向同性干湿蚀刻创造了垂直切面和脊壁。在康奈尔纳米尺度科学技术设施的帮助下，van Deurzen在AlN芯片上以微米级谐振器的形式创建了腔体。

研究人员通过光抽运装置演示了多模激光。双异质结构Fabry-Pérot激光棒在室温下表现出多模发射，峰值增益为284 nm，模态线宽为0.1 nm。根据研究人员的说法，这种线宽比使用分子束外延的紫外激光的类似器件精确一个数量级。

为了实现具有大正时或连续波模式能力的电注入DUV铝氮化镓(AlGaN)基激光二极管，重要的是要进行电子设计优化以最大化光学增益，以及波导设计和生长优化以保持较低的本征光损耗。因此，应用的生长技术及其化学和异质结构设计特性可用于进一步开发和改进电注入AlGaN激光二极管。

Debdeep Jena教授表示，下一步他们将使用相同的材料平台来开发由电池电流驱动的激光，这是一种更实用的能源，用于商业上可用的发光设备。