Πραγματοποίηση Υψηλής Οπτικής Εξόδου Κατακόρυφων Υπεριωδών Ημιαγωγών Λέιζερ! Υποσχόμενες Πρακτικές Εφαρμογές στους Τομείς της Ιατρικής και της Επεξεργασίας Laser

Πρόσφατα, μια ιαπωνική ερευνητική ομάδα μελέτης κατασκεύασε μια συσκευή λέιζερ κάθετης βαθιάς εκπομπής υπεριώδους ακτινοβολίας βασισμένη στο AlGaN, η οποία αναμένεται να εφαρμοστεί στους τομείς της επεξεργασίας λέιζερ, της βιοτεχνολογίας και της ιατρικής.
Όπως όλοι γνωρίζουμε, το υπεριώδες φως (UV) είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα με εύρος μήκους κύματος από 100 έως 380 nm. Αυτά τα μήκη κύματος μπορούν να χωριστούν σε τρεις περιοχές: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) και UV-C (100-280 nm). ), οι δύο τελευταίες περιοχές που περιέχουν βαθύ υπεριώδες φως.
Πηγές φωτός λέιζερ που εκπέμπουν στην περιοχή υπεριώδους ακτινοβολίας, όπως λέιζερ αερίου και λέιζερ στερεάς κατάστασης που βασίζονται σε αρμονικές λέιζερ υττρίου-αλουμινίου-γρανάτης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως βιοτεχνολογία, δερματολογικές θεραπείες, διεργασίες σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία και λέιζερ επεξεργασία. Ωστόσο, τέτοια λέιζερ υποφέρουν από μεγάλο μέγεθος, υψηλή κατανάλωση ενέργειας, περιορισμένο εύρος μήκους κύματος και χαμηλή απόδοση.

Τα τελευταία χρόνια, η ανάπτυξη λέιζερ ημιαγωγών υψηλής απόδοσης που παράγουν φως με έγχυση ρεύματος έχει προωθηθεί παράλληλα με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας κατασκευής. Αυτές περιλαμβάνουν συσκευές εκπομπής υπεριώδους φωτός που βασίζονται στο ημιαγωγικό υλικό νιτρίδιο του γαλλίου αλουμινίου AlGaN. Ωστόσο, η μέγιστη οπτική ισχύς εξόδου τους στην περιοχή βαθιάς υπεριώδους ακτινοβολίας είναι μόνο περίπου 150 mW, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από την ισχύ που απαιτείται για ιατρικές και βιομηχανικές εφαρμογές. Η αύξηση του ρεύματος έγχυσης της συσκευής είναι κρίσιμη για την αύξηση της ισχύος εξόδου. Αυτό απαιτεί αύξηση του μεγέθους της συσκευής και πρέπει επίσης να διασφαλίσει ότι το ρεύμα ρέει ομοιόμορφα στη συσκευή.
Στο πλαίσιο αυτής της έρευνας, μια ιαπωνική ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Motome Iwaya του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο Πανεπιστήμιο Meijo ανέπτυξε με επιτυχία κάθετες διόδους λέιζερ ημιαγωγών UV-B τύπου AlGaN υψηλής απόδοσης. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Applied Physics Letters.
Ο καθηγητής Motome Iwaya έχει δηλώσει ότι τα υπάρχοντα λέιζερ βαθιάς υπεριώδους ακτινοβολίας με βάση το AlGaN χρησιμοποιούν μονωτικά υλικά όπως το ζαφείρι και το AlN για τη λήψη κρυστάλλων υψηλής ποιότητας. Αλλά επειδή το ρεύμα ρέει πλευρικά σε αυτές τις συσκευές, για να βελτιώσουν την απόδοση φωτός τους, οι επιστήμονες εξερεύνησαν κάθετες συσκευές, στις οποίες τα p- και n-ηλεκτρόδια βρίσκονται το ένα απέναντι στο άλλο σε μια διασταύρωση pn. Όμως, τα τελευταία χρόνια, οι κάθετες διαμορφώσεις έχουν χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση συσκευών ημιαγωγών υψηλής ισχύος. Αλλά για τα λέιζερ ημιαγωγών, η ανάπτυξη τέτοιων διαμορφώσεων έχει παραμείνει στάσιμη και δεν έχει ακόμη πραγματοποιηθεί για συσκευές εκπομπής φωτός βαθιάς υπεριώδους με βάση το νιτρίδιο του αλουμινίου. Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές κατασκεύασαν αρχικά νιτρίδιο αλουμινίου υψηλής ποιότητας σε υπόστρωμα ζαφείρι. Στη συνέχεια σχηματίστηκαν περιοδικές νανοκολόνες νιτριδίου αλουμινίου και αποτέθηκαν με δομές λέιζερ με βάση το νιτρίδιο αλουμινίου.
Η ομάδα χρησιμοποίησε μια καινοτόμο τεχνική απογύμνωσης με λέιζερ που βασίζεται σε παλμικά λέιζερ στερεάς κατάστασης για να αφαιρέσει τις δομές της συσκευής από το υπόστρωμα. Ανέπτυξαν επίσης μια διαδικασία ημιαγωγών για να κατασκευάσουν τα ηλεκτρόδια, τις δομές περιορισμού του ρεύματος και τα μονωτικά στρώματα που απαιτούνται για τις ταλαντώσεις λέιζερ και μια μέθοδο διάσπασης χρησιμοποιώντας λεπίδες για να σχηματίσουν εξαιρετικούς οπτικούς συντονιστές. Η προκύπτουσα δίοδος λέιζερ βαθιάς ημιαγωγού UV-B με βάση το AlGaN έχει νέες και μοναδικές ιδιότητες. Λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, εκπέμπει εξαιρετικά οξύ φως στα 298,1 nm, έχει καλά καθορισμένο ρεύμα κατωφλίου και ισχυρή εγκάρσια ηλεκτρική πόλωση. Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης ένα μοτίβο μακρινού πεδίου που μοιάζει με κηλίδα ειδικά για λέιζερ, επιβεβαιώνοντας τις ταλαντώσεις της συσκευής.
Η μελέτη καταδεικνύει ότι οι κάθετες συσκευές μπορούν να παρέχουν υψηλά ρεύματα για τη λειτουργία συσκευών υψηλής ισχύος. Στο μέλλον, θα διαδραματίσει μεγαλύτερο ρόλο σε νέες οικονομικά αποδοτικές διαδικασίες κατασκευής ηλεκτρικών οχημάτων και τεχνητής νοημοσύνης, μεταξύ άλλων. Και οι ερευνητές ελπίζουν επίσης ότι τα κάθετα λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας με βάση το νιτρίδιο αλουμινίου θα βρουν πρακτικές εφαρμογές σε ιατρικούς και κατασκευαστικούς τομείς.