深紫外半导体激光器可实现多种应用

2022-4-19 00:16| 发布者: everydayness| 查看: 3425| 评论: 0

摘要: 2022年4月12日，纽约伊萨卡Cornell大学的研究人员展示了一种基于光学泵浦的氮化铝镓（AlGaN）多模激光器，该激光器在低模态线宽和波长低于300nm时发射深紫外（DUV）光。DUV发射器可用于病原体检测和灭菌，水净化，气 ...

2022年4月12日，纽约伊萨卡Cornell大学的研究人员展示了一种基于光学泵浦的氮化铝镓（AlGaN）多模激光器，该激光器在低模态线宽和波长低于300nm时发射深紫外（DUV）光。DUV发射器可用于病原体检测和灭菌，水净化，气体传感，光刻以及量子计算和计量。

根据康奈尔大学团队的说法，基于AlGaN的UV-C激光二极管的实现一直具有挑战性。宽带隙半导体表现出低载流子迁移率，大掺杂剂激活能以及电子和空穴传输之间的不对称性。该团队的方法通过使用AlGaN半导体材料系统开发高质量的DUV发射器来克服这些挑战。

研究人员Len van Deurzen说：“众所周知，这是一种合适的材料，但这是一个材料合成的问题。挑战在于使材料足够纯净，使其在实际中有用，并能满足激光器的要求。”

该团队使用等离子体辅助分子束外延（一种晶体生长技术）来生长高质量的氮化铝（AlN）晶体。在单晶AlN上通过分子束外延生长了AlGaN双异质结构。

Van Deurzen 说：“我们需要多层叠加的氮化镓铝层，其中一个重要参数就是这些层之间的界面质量。我们可以生长出非常清晰的界面，而不会像其它生长技术那样产生杂质和位错。”

博士生Len van Deurzen使用用于操作DUV激光发射装置的实验室设置。他领导的团队开发了一种具有一系列潜在用途的DUV半导体激光器，例如在光刻领域。图片由Cornell大学提供。

为了捕捉发出的光并刺激发射，研究人员从叠层中创建了一个光学腔。利用外延 AlN/AlGaN 双异质结构，他们制作了边缘发射的脊型 Fabry-Pérot 腔。他们通过各向同性的干湿腐蚀创造了垂直面和脊侧壁。这个空腔是以一个微米级的氮化铝芯片上的谐振器的形式制造出来的，这个谐振器是 van Deurzen 在康奈尔纳米级科技实验室的帮助下开发的。

研究人员演示了通过光泵浦装置实现多模激光。双异质结构法布里-珀罗激光棒在室温下呈现峰值增益为284nm 的多模发射，模式线宽为0.1 nm 左右。根据研究人员的说法，这种线宽比使用分子束外延紫外线激光的同类设备精确一个数量级。

为了实现具有大导通时间或连续波模式能力的基于DUV AlGaN的电注入激光二极管，必须进行电子设计优化以获得最大的光学增益，同时进行波导设计和增长优化以保持低的光学损耗。因此，采用生长技术及其化学和异质结构设计特性可用于进一步开发和改进电注入 AlGaN 激光二极管。

Debdeep Jena教授表示，研究的下一步将是利用同一材料平台开发一种由电池电流驱动的激光器，这种激光器对于商用发光设备来说是一种更实用的能源。

该研究发表在AIP Advances（www.doi.org/10.1063/5.0085365）上。