實(shí)現(xiàn)垂直紫外線半導(dǎo)體激光器的高光輸出！

近日，日本研究研究團(tuán)隊(duì)制造出一種基于AlGaN的垂直深紫外發(fā)光半導(dǎo)體激光設(shè)備，有望應(yīng)用于激光加工、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

眾所周知，紫外線（UV）是波長(zhǎng)范圍為100至380nm的電磁波。這些波長(zhǎng)可分為三個(gè)區(qū)域：UV－A（315－380 nm）、UV－B（280－315 nm）和UV－C（100－280 nm），后兩個(gè)區(qū)域包含深紫外線。

在紫外線區(qū)域發(fā)射的激光光源，如氣體激光器和基于釔鋁石榴石激光器諧波的固體激光器，可廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)、皮膚病治療、紫外線固化工藝和激光加工。但是此類(lèi)激光器存在著體積大、功耗高，波長(zhǎng)范圍有限、效率低等缺陷。

近年來(lái)，隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)了通過(guò)注入電流產(chǎn)生光的高性能半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。其中包括基于半導(dǎo)體材料氮化鋁鎵AlGaN的紫外發(fā)光器件。

然而，它們?cè)谏钭贤鈪^(qū)的最大光輸出功率僅約為150mW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用所需的功率。增加器件的注入電流對(duì)于提高輸出功率至關(guān)重要。這需要增加器件尺寸，同時(shí)需要確保器件中電流均勻流動(dòng)。

在這一研究背景下，由名城大學(xué)材料科學(xué)與工程系巖屋元明教授領(lǐng)導(dǎo)的日本研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出高性能垂直AlGaN型紫外線－B半導(dǎo)體激光二極管。

該研究發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上。 巖屋元明教授曾表示，現(xiàn)有的基于AlGaN的深紫外激光器利用藍(lán)寶石和AlN等絕緣材料來(lái)獲得高質(zhì)量晶體。

但是因?yàn)殡娏髟谶@些設(shè)備中是橫向流動(dòng)的，為了提高它們的光輸出，科學(xué)家探索了垂直器件，在一個(gè)p－n結(jié)中，p－電極和n－電極面對(duì)面。但是在過(guò)去的幾年里，垂直配置一直被用于實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體器件。

但是針對(duì)在半導(dǎo)體激光器的方面，這種配置的發(fā)展一直停滯不前，并且在基于氮化鋁的深紫外發(fā)光器件方面尚未實(shí)現(xiàn)。

為此，研究人員首先在藍(lán)寶石襯底上制造出高質(zhì)量的氮化鋁。隨后形成周期性的氮化鋁納米柱，并沉積出基于氮化鋁的激光結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)利用基于脈沖固體激光器的創(chuàng)新激光剝離技術(shù)，將器件結(jié)構(gòu)從基底上剝離下來(lái)。

他們還開(kāi)發(fā)了一種半導(dǎo)體工藝來(lái)制造激光振蕩所需的電極、限流結(jié)構(gòu)和絕緣層，并開(kāi)發(fā)了一種使用刀片的劈裂方法來(lái)形成出色的光學(xué)諧振器。

由此制造出的基于AlGaN深紫外－B半導(dǎo)體激光二極管具有新穎獨(dú)特的特性。其可在室溫下工作，在298．1nm波長(zhǎng)處發(fā)出極其銳利的光，具有明確的閾值電流和較強(qiáng)的橫向電偏振特性。

研究人員還觀察到激光特有的光斑狀遠(yuǎn)場(chǎng)模式，證實(shí)了器件的振蕩。

該研究表明垂直器件能夠?yàn)榇蠊β势骷倪\(yùn)行提供高電流。

未來(lái)，將在電動(dòng)汽車(chē)和人工智能的新型高成本效益制造工藝等方面發(fā)揮更大的作用。并且研究人員也希望基于氮化鋁的垂直紫外激光器能在醫(yī)療和制造領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。








審核編輯：劉清