Диодные лазеры переходят в глубокий ультрафиолет

После долгих лет задержек полупроводниковый диодный лазер наконец заработал в глубоком ультрафиолете, указав путь к биосенсорам и стерилизации.

Джефф Хект

УФ-светодиод на подложке HexaTech AlN во время электрических испытаний в условиях окружающей среды. 

Изображение: Ловкие материалы

Многие УФ-светодиоды, изготовленные Adroit Materials на пластине AlN от HexaTech.

 

Реклама

Выбор редактора

нулевой

Изобретатели синего светодиода получили Нобелевскую премию по физике

Иллюстрация: Брайан Кристи Дизайн

Темный секрет светодиодов

нулевой

У синего светодиода много родителей

Первый полупроводниковый лазер с электрическим приводом, излучающий в глубоком ультрафиолете, знаменует собой большой шаг в новую область, говорит Рамон Коллазо, профессор материаловедения в Университете штата Северная Каролина, который сотрудничает с Adroit Materials в Кэри, Северная Каролина.

 

По словам Коллазо, исследователи думали, что «существует твердая стена», блокирующая диодные лазеры от излучения ультрафиолетового света короче 315 нм даже в лабораторных лазерах. Теперь команда, включающая Хироши Амано из Университета Нагоя, который разделил Нобелевскую премию по физике 2014 года за изобретение эффективных синих светодиодов, совершила еще один прорыв, продемонстрировав диодный лазер с длиной волны 271,8 нм, более чем на 40 нм глубже в ультрафиолетовом диапазоне.

 

«Ожидается, что биодатчик и стерилизация станут первыми ключевыми приложениями» диодных лазеров глубокого ультрафиолета, — говорит Зийи Чжан из Корпоративного исследовательского центра Asahi Kasei в Фудзи, ведущий автор статьи, написанной в соавторстве с Амано. По словам Чжана, биосенсоры на основе диодных лазеров «могут быть намного меньше, дешевле и легче заменяемы», чем громоздкие газовые лазеры, которые в настоящее время являются единственным доступным типом с длиной волны короче 300 нм.

По словам Коллазо, Пентагон США вложил значительные средства в разработку лазеров глубокого ультрафиолетового излучения для биозондирования, но «после трех программ DARPA японцы добились своего», — сказал он, посмеиваясь. Он говорит, что демонстрация глубокого ультрафиолетового лазера открывает двери для создания диодных лазеров в широком диапазоне от 220 до 365 нм.

 

Коммерческие светодиоды, изготовленные из того же соединения, нитрида алюминия и галлия, могут излучать с длиной волны до 210 нм. Однако их свет быстро распространяется, оставляя мало энергии после десятков сантиметров, что ограничивает их применение. Лазерные диоды концентрируют свой луч на большем расстоянии, обеспечивая более высокую мощность в небольших точках, а их свет концентрируется в полосе менее 1 нм по сравнению с более чем 10 нм у светодиодов. «Эти характеристики лазерных диодов должны позволить использовать их в медицинских целях», — говорит Чжан.

 

Диодные лазеры изготовить намного сложнее, чем светодиоды, потому что они требуют пропускания более высоких плотностей тока через слой, где носители тока объединяются для излучения света. Это особая проблема для нитридных соединений, излучающих в синем, фиолетовом и ультрафиолетовом диапазонах, поскольку они склонны к кристаллическим дефектам, которые могут вызывать отказы при высоких плотностях тока. Такие материальные проблемы тормозили развитие синих светодиодов и диодных лазеров до тех пор, пока Амано и Исаму Акасаки из Нагойского университета и Сюдзи Накамура, в то время работавшего в корпорации Ничиа, не разработали новые способы обработки смеси галлия, индия и азота, необходимой для синего излучения в ранние годы. 1990-е годы. Сначала они добились успеха со светодиодами, а затем с диодными лазерами с длиной волны 405 нм, необходимыми для хранения цифрового видео высокой четкости на дисках Blu-Ray.

 

Диоды из галлия, индия и азота излучают синий свет, длина волны которого уменьшается по мере уменьшения содержания индия, достигая около 370 нм от чистого GaN. Алюминий должен быть добавлен, чтобы заменить некоторое количество галлия для достижения более коротких длин волн, но добавление алюминия также делает соединение более уязвимым для дефектов. Это не является серьезной проблемой для светодиодов, которые в 2006 году достигли 210 нанометров в глубоком ультрафиолете. Однако высокая плотность тока в диодных лазерах остановила их развитие в ультрафиолете. Самая короткая длина волны в коммерческих диодах остается на уровне 375 нм, а недолговечные лабораторные версии годами остаются на уровне около 320 нм. 

 

В 2018 году группа из штата Северная Каролина и Adroit Materials (Кэри, Северная Каролина) под руководством главного операционного офиса Adroit Ронни Кирсте смогла снизить уровень дефектов в AlGaN, содержащем больше алюминия, чем галлия, для получения лазерного излучения с длиной волны 265 нм в глубоком ультрафиолете. Однако их полупроводниковые лазеры питались светом с длиной волны 193 нм от большого импульсного газового лазера, метод, полезный в исследованиях, но непрактичный для приложений. Святым Граалем для практических лазеров глубокого ультрафиолета является их прямое питание электрическим током, проходящим через полупроводник.

 

Группа корпоративных исследований и разработок Asahi Kasei в Фудзи, Нагоя, и Crystal IS в Грин-Айленде, штат Нью-Йорк, продемонстрировала новый диодный лазер с электрическим питанием, излучающий на длине волны 271,8 нм. Ключом к их успеху, по словам Чжана, были разработка структуры лазерного диода, их метод легирования полупроводника и эпитаксиальный рост на подложке из монокристаллического AlN, что позволило снизить пороговый ток и рабочее напряжение. Слои в структуре содержали алюминия вдвое больше, чем галлия.

 

Иллюстрация диодного сэндвича

Иллюстрация: Asahi-Kasei Corp.

Структура диодного лазера с длиной волны 271,8 нм от Asahi-Kasei Corp. 

 

Их лазер генерировал 50-наносекундные импульсы с частотой 2000 Гц, но ожидается, что для большинства приложений потребуется непрерывный лазерный луч. Чжан говорит, что дальнейшее снижение порогового тока и рабочего напряжения должно позволить работать в непрерывном режиме. Asahi Kasei планирует продолжить объединение Nagoya, чтобы улучшить их понимание системы материалов и разработать коммерческие версии.

 

Компания Adroit Materials уже работала с AlGaN и теперь работает над дублированием результатов Asahi Kasei. «Мы хотим заменить те газовые лазеры», которые долгое время были единственными лазерными источниками, пригодными для большинства коротковолновых ультрафиолетовых применений, — говорит Кирсте. «Рынок огромен для этого». Большая часть этого рынка является биологической, потому что ДНК сильно поглощает при 260 нм. В дополнение к обнаружению биологического материала, включая потенциальный патоген, яркие источники глубокого ультрафиолета могут разрушать ДНК, убивая патогены. УФ-светодиоды, излучающие в этом диапазоне, уже могут стерилизовать небольшие объемы воды, например, необходимые солдатам в полевых условиях, где сомнительные запасы воды. Компактные лазерные источники могут быстрее стерилизовать большие объемы.