旭化成與名古屋大學(xué)可持續(xù)發(fā)展材料與系統(tǒng)研究所未來電子綜合研究中心天野浩教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在世界上首次成功實現(xiàn)了 UV-C 波段為 274 nm 的深紫外半導(dǎo)體激光器 (UV-C LD) 的室溫連續(xù)振蕩。

圖1

UV-C LD是一種光源，有望在殺菌和醫(yī)療等方面有廣泛的應(yīng)用。這一次，聯(lián)合課題組進(jìn)一步發(fā)展了技術(shù)，并成功地用更實用的直流電源實現(xiàn)了激光振蕩。聯(lián)合研究小組發(fā)現(xiàn)，形成 UV-C LD 器件的晶體擾動會降低激光特性，并成功制造出不產(chǎn)生任何晶體擾動的器件。 因此，激光振蕩所需的驅(qū)動功率已降低到傳統(tǒng)激光器的 1/10，實現(xiàn)了室溫連續(xù)振蕩，也可以由電池驅(qū)動。

利用 UV-C LD 的特性，高清激光可用于醫(yī)療和滅菌等醫(yī)療保健應(yīng)用、病毒檢測、微粒測量、氣體分析應(yīng)用以及難以微細(xì)加工的材料，如金屬、碳材料、樹脂材料等，有望應(yīng)用于加工領(lǐng)域。室溫連續(xù)振蕩的實現(xiàn)使得將UV-C LD結(jié)合到各種應(yīng)用系統(tǒng)中成為可能，并且有望成為向?qū)嶋H應(yīng)用邁出的巨大一步。未來，該聯(lián)合課題組將繼續(xù)開展研究，構(gòu)建可提供原型的系統(tǒng)，推動應(yīng)用的發(fā)展，旨在到 2025 財年實現(xiàn)商業(yè)化。

圖2

該聯(lián)合研究小組專注于傳統(tǒng) UV-C LD 臺面條紋邊緣出現(xiàn)的晶體無序，即晶體缺陷。臺面條紋邊緣的晶體缺陷不僅通過延伸到腔體中而使閾值電流密度惡化，而且通過限制電極設(shè)計而削弱驅(qū)動電壓。作為使用各種原型、分析和建模進(jìn)行多方面調(diào)查的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)晶體缺陷的原因是臺面條紋上的局部應(yīng)力集中。因此，為了控制應(yīng)力，我們將臺面條紋結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的垂直型改為傾斜型，成功抑制了晶體缺陷。如圖2所示。

圖 3

此外，研究人員同時改進(jìn)了光學(xué)設(shè)計和薄膜晶體生長條件，實現(xiàn)了4.2 kA/cm2的閾值電流密度和8.7 V的閾值電壓，均為世界最高水平，如圖3。這使得可以將激光振蕩所需的驅(qū)動功率降低到傳統(tǒng)水平的 1/10。借以上成果，我們在世界上率先實現(xiàn)了室溫連續(xù)振蕩，這是半導(dǎo)體激光器發(fā)展的一個重要里程碑。制成的深紫外半導(dǎo)體激光器封裝器件在室溫下用直流驅(qū)動時，可以清楚地觀察到連續(xù)波光，如圖4。這一結(jié)果充分表明，UV-C波段的深紫外半導(dǎo)體激光器在未來具有實用化的潛力。

圖4

2019年，Asahi Kasei 和名古屋大學(xué)可持續(xù)發(fā)展材料與系統(tǒng)研究所未來電子綜合研究中心 Hiroshi Amano 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一種深紫外（在 UV-C 的波長范圍內(nèi)）半導(dǎo)體激光器，使用氮化鋁 (AlN) 基板。結(jié)果是在室溫下脈沖電流注入下，世界上最短的激光波長為 271.8 nm。成功開發(fā)的短波長 UV-C 半導(dǎo)體激光器使用了旭化成集團(tuán)公司 Crystal IS, Inc. 制造的 2 英寸 AlN 基板。Crystal IS 的 2 英寸 AlN 基板具有極低缺陷密度，為成功的短波長激光發(fā)射做出了重大貢獻(xiàn)。

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