Hiện thực hóa đầu ra quang học cao của Laser bán dẫn tia cực tím dọc! Những ứng dụng thực tế đầy hứa hẹn trong lĩnh vực y học và xử lý laser

Mới đây, một nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã chế tạo được thiết bị laser bán dẫn phát tia cực tím sâu theo phương thẳng đứng dựa trên AlGaN, dự kiến ​​sẽ ứng dụng trong các lĩnh vực xử lý laser, công nghệ sinh học và y học.
Như chúng ta đã biết, tia cực tím (UV) là sóng điện từ có bước sóng từ 100 đến 380 nm. Các bước sóng này có thể được chia thành ba vùng: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) và UV-C (100-280 nm). ), hai vùng sau chứa tia cực tím sâu.
Các nguồn ánh sáng laser phát ra trong vùng UV, chẳng hạn như laser khí và laser trạng thái rắn dựa trên sóng hài của laser yttrium-nhôm-garnet, có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm công nghệ sinh học, điều trị da liễu, quy trình chữa bệnh bằng tia cực tím và laser xử lý. Tuy nhiên, những laser như vậy có kích thước lớn, tiêu thụ điện năng cao, phạm vi bước sóng hạn chế và hiệu suất thấp.

Trong những năm gần đây, sự phát triển của laser bán dẫn hiệu suất cao tạo ra ánh sáng bằng cách đưa dòng điện vào đã được đẩy mạnh song song với sự phát triển không ngừng của công nghệ sản xuất. Chúng bao gồm các thiết bị phát ánh sáng cực tím dựa trên vật liệu bán dẫn nhôm gallium nitride AlGaN. Tuy nhiên, công suất quang học tối đa của chúng ở vùng UV sâu chỉ khoảng 150 mW, thấp hơn nhiều so với công suất cần thiết cho các ứng dụng y tế và công nghiệp. Việc tăng dòng phun của thiết bị là rất quan trọng để tăng công suất đầu ra. Điều này đòi hỏi phải tăng kích thước thiết bị và cũng cần đảm bảo dòng điện chạy đều trong thiết bị.
Trong bối cảnh nghiên cứu này, một nhóm nghiên cứu Nhật Bản do Giáo sư Motome Iwaya thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Meijo dẫn đầu đã phát triển thành công điốt laser bán dẫn UV-B loại AlGaN dọc hiệu suất cao. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Thư vật lý ứng dụng.
Giáo sư Motome Iwaya đã tuyên bố rằng các tia laser cực tím sâu dựa trên AlGaN hiện có sử dụng các vật liệu cách điện như sapphire và AlN để thu được tinh thể chất lượng cao. Nhưng vì dòng điện chạy ngang trong các thiết bị này nên để cải thiện công suất ánh sáng của chúng, các nhà khoa học đã khám phá các thiết bị thẳng đứng, trong đó các điện cực p và n đối diện nhau trong một điểm nối pn. Nhưng trong vài năm qua, cấu hình dọc đã được sử dụng để tạo ra các thiết bị bán dẫn công suất cao. Nhưng đối với laser bán dẫn, sự phát triển của các cấu hình như vậy vẫn bị trì trệ và vẫn chưa được thực hiện đối với các thiết bị phát ánh sáng cực tím sâu dựa trên nhôm nitrit. Để đạt được mục tiêu này, trước tiên các nhà nghiên cứu đã chế tạo được nhôm nitrit chất lượng cao trên nền sapphire. Sau đó, các cột nano nhôm nitrit định kỳ được hình thành và lắng đọng bằng các cấu trúc laser dựa trên nhôm nitrit.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật tước laser cải tiến dựa trên các xung laser trạng thái rắn để tách cấu trúc thiết bị khỏi chất nền. Họ cũng phát triển quy trình bán dẫn để chế tạo các điện cực, cấu trúc hạn chế dòng điện và các lớp cách điện cần thiết cho dao động laser và phương pháp phân tách sử dụng các lưỡi dao để tạo thành bộ cộng hưởng quang học tuyệt vời. Kết quả là diode laser bán dẫn UV-B sâu dựa trên AlGaN có những đặc tính mới và độc đáo. Nó hoạt động ở nhiệt độ phòng, phát ra ánh sáng cực kỳ sắc nét ở bước sóng 298,1 nm, có dòng ngưỡng xác định rõ ràng và độ phân cực điện ngang mạnh. Các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy mô hình trường xa giống như điểm đặc trưng của tia laser, xác nhận các dao động của thiết bị.
Nghiên cứu chứng minh rằng các thiết bị dọc có thể cung cấp dòng điện cao cho hoạt động của các thiết bị có công suất cao. Trong tương lai, nó sẽ đóng vai trò lớn hơn trong các quy trình chế tạo mới tiết kiệm chi phí cho xe điện và trí tuệ nhân tạo, cùng nhiều quy trình khác. Và các nhà nghiên cứu cũng hy vọng rằng tia UV dọc dựa trên nhôm nitride sẽ tìm thấy những ứng dụng thực tế trong lĩnh vực y tế và sản xuất.