Ultraviolette (UV) Strahlen sind elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen zwischen 100 und 380 Nanometern (nm). Diese Wellenlängen können in drei Bereiche eingeteilt werden: UV-A (315–380 nm), UV-B (280–315 nm) und UV-C (100–280 nm), wobei die beiden letzteren tiefe UV-Strahlen umfassen.
Laserlichtquellen mit Emission im UV-Bereich, wie Gaslaser und Festkörperlaser, die auf Harmonischen von Yttrium-Aluminium-Granat-Lasern basieren, finden Anwendungen in der Biotechnologie, bei der Behandlung von Hautkrankheiten, bei UV-Härtungsprozessen und bei der Laserbearbeitung. Allerdings sind diese Laser groß und verbrauchen viel Strom, außerdem haben sie einen begrenzten Wellenlängenbereich und einen geringen Wirkungsgrad.
In den letzten Jahren haben erhebliche Fortschritte in der Fertigungstechnologie die Entwicklung von Hochleistungs-Halbleiterlasern ermöglicht, die durch Strominjektion Licht erzeugen. Dazu gehören UV-Licht emittierende Geräte auf Basis von Aluminiumgalliumnitrid (oder AlGaN), einem Halbleitermaterial. Allerdings beträgt ihre maximale optische Ausgangsleistung im tiefen UV-Bereich nur etwa 150 Milliwatt (mW), was deutlich unter der Leistung liegt, die für medizinische und industrielle Anwendungen erforderlich ist.
Es ist entscheidend, den Injektionsstrom in einem Gerät zu erhöhen, um die Ausgangsleistung zu steigern. Dies erfordert eine Vergrößerung der Gerätegröße, was wiederum die Gewährleistung eines gleichmäßigen Stromflusses im Gerät erschwert.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung von Professor Motoaki Iwaya vom Department of Materials Science and Engineering der Meijo-Universität erfolgreich leistungsstarke vertikale UV-B-Halbleiterlaserdioden auf AlGaN-Basis entwickelt. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Forschern der Mie University, Ushio, Inc. und Seishin Trading Co. Ltd. durchgeführt und in veröffentlicht Angewandte Physik Express Tagebuch.
Über die Motivation hinter der Entwicklung dieser Geräte sagt Prof. Iwaya: „Bestehende Tief-UV-Laser auf AlGaN-Basis nutzen isolierende Materialien wie Saphir und AlN, um hochwertige Kristalle zu erhalten. Bemerkenswert ist, dass der Strom in diesen Geräten seitlich fließt. Um sie zu verbessern.“ Um die Lichtleistung zu verbessern, haben wir vertikale Geräte mit einander zugewandten p- und n-Elektroden im ap-n-Übergang untersucht.
Wichtig ist, dass in der Vergangenheit vertikale Konfigurationen zur Realisierung von Hochleistungshalbleiterbauelementen untersucht wurden. Die Weiterentwicklung dieser Konfiguration hinkt bei Halbleiterlasern jedoch hinterher und wurde für AlGaN-basierte lichtemittierende Geräte im tiefen UV-Bereich noch nicht realisiert.
Zu diesem Zweck stellten die Forscher zunächst hochwertiges AlN auf einem Saphirsubstrat her. Es folgte die Bildung periodischer AlN-Nanosäulen und die Abscheidung einer AlGaN-basierten Laserstruktur.
Das Team nutzte eine innovative Laser-Lift-off-Technologie auf Basis gepulster Festkörperlaser, um die Gerätestruktur vom Substrat abzuziehen. Sie entwickelten außerdem einen Halbleiterprozess zur Herstellung von Elektroden, Strombegrenzungsstrukturen und Isolierschichten, die für die Laseroszillation erforderlich sind, sowie eine Spaltungsmethode unter Verwendung einer Klinge, um einen hervorragenden optischen Resonator zu bilden.
Die so hergestellten vertikalen AlGaN-basierten UV-B-Halbleiterlaserdioden weisen neuartige und einzigartige Eigenschaften auf. Sie arbeiten bei Raumtemperatur und zeigen eine extrem scharfe Emission bei 298,1 nm, einen genau definierten Schwellenstrom und eine starke transversalelektrische Polarisationscharakteristik. Die Forscher beobachteten außerdem ein laserspezifisches punktförmiges Fernfeldmuster, das die Oszillation des Geräts bestätigte.
Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Herstellung vertikaler AlGaN-basierter Bauelemente mit einer einzigartigen Struktur durch die Überwindung der mit ihrer Herstellung verbundenen bestehenden Herausforderungen erreicht wurde.
„Diese Arbeit demonstriert den Betrieb eines vertikalen Geräts, das den für eine hohe Ausgangsleistung erforderlichen Hochstrombetrieb ermöglicht. Es wird erwartet, dass es den Weg für neuartige kosteneffiziente Herstellungsprozesse für Elektrofahrzeuge und künstliche Intelligenz ebnet“, schließt Prof. Iwaya.
Die Forscher hoffen, dass vertikale AlGaN-basierte UV-Laser reale Anwendungen in der Medizin und Fertigung finden.
Mehr Informationen:
Toma Nishibayashi et al., Herstellung vertikaler AlGaN-basierter Ultraviolett-B-Laserdioden unter Verwendung einer Laser-Lift-Off-Methode, Angewandte Physik Express (2023). DOI: 10.35848/1882-0786/ad03ac