实现垂直紫外线半导体激光器的高光输出！有望在医学和激光加工领域得到实际应用

2023-10-24 16:42

近日，日本研究研究团队制造出一种基于AlGaN的垂直深紫外发光半导体激光设备，有望应用于激光加工、生物技术和医学领域。

众所周知，紫外线（UV）是波长范围为100至380nm的电磁波。这些波长可分为三个区域：UV－A（315－380 nm）、UV－B（280－315 nm）和UV－C（100－280 nm），后两个区域包含深紫外线。

在紫外线区域发射的激光光源，如气体激光器和基于钇铝石榴石激光器谐波的固体激光器，可广泛应用于生物技术、皮肤病治疗、紫外线固化工艺和激光加工。但是此类激光器存在着体积大、功耗高，波长范围有限、效率低等缺陷。

图片来源：Motoaki Iwaya ／明城大学

近年来，随着制造技术的不断发展，同时促进了通过注入电流产生光的高性能半导体激光器的发展。其中包括基于半导体材料氮化铝镓AlGaN的紫外发光器件。然而，它们在深紫外区的最大光输出功率仅约为150mW，远远低于医疗和工业应用所需的功率。增加器件的注入电流对于提高输出功率至关重要。这需要增加器件尺寸，同时需要确保器件中电流均匀流动。

在这一研究背景下，由名城大学材料科学与工程系岩屋元明教授领导的日本研究团队成功开发出高性能垂直AlGaN型紫外线－B半导体激光二极管。该研究发表在《应用物理快报》杂志上。

岩屋元明教授曾表示，现有的基于AlGaN的深紫外激光器利用蓝宝石和AlN等绝缘材料来获得高质量晶体。但是因为电流在这些设备中是横向流动的，为了提高它们的光输出，科学家探索了垂直器件，在一个p－n结中，p－电极和n－电极面对面。但是在过去的几年里，垂直配置一直被用于实现大功率半导体器件。但是针对在半导体激光器的方面，这种配置的发展一直停滞不前，并且在基于氮化铝的深紫外发光器件方面尚未实现。为此，研究人员首先在蓝宝石衬底上制造出高质量的氮化铝。随后形成周期性的氮化铝纳米柱，并沉积出基于氮化铝的激光结构。

研究团队利用基于脉冲固体激光器的创新激光剥离技术，将器件结构从基底上剥离下来。他们还开发了一种半导体工艺来制造激光振荡所需的电极、限流结构和绝缘层，并开发了一种使用刀片的劈裂方法来形成出色的光学谐振器。由此制造出的基于AlGaN深紫外－B半导体激光二极管具有新颖独特的特性。其可在室温下工作，在298．1nm波长处发出极其锐利的光，具有明确的阈值电流和较强的横向电偏振特性。研究人员还观察到激光特有的光斑状远场模式，证实了器件的振荡。

该研究表明垂直器件能够为大功率器件的运行提供高电流。未来，将在电动汽车和人工智能的新型高成本效益制造工艺等方面发挥更大的作用。并且研究人员也希望基于氮化铝的垂直紫外激光器能在医疗和制造领域得到实际应用。