旭化成與名古屋大學可持續發展材料與系統研究所未來電子綜合研究中心天野浩教授領導的研究小組在世界上首次成功實現了 UV-C 波段為 274 nm 的深紫外半導體激光器 (UV-C LD) 的室溫連續振蕩。
圖1
UV-C LD是一種光源，有望在殺菌和醫療等方面有廣泛的應用。這一次，聯合課題組進一步發展了技術，并成功地用更實用的直流電源實現了激光振蕩。聯合研究小組發現，形成 UV-C LD 器件的晶體擾動會降低激光特性，并成功制造出不產生任何晶體擾動的器件。 因此，激光振蕩所需的驅動功率已降低到傳統激光器的 1/10，實現了室溫連續振蕩，也可以由電池驅動。
利用 UV-C LD 的特性，高清激光可用于醫療和滅菌等醫療保健應用、病毒檢測、微粒測量、氣體分析應用以及難以微細加工的材料，如金屬、碳材料、樹脂材料等，有望應用于加工領域。室溫連續振蕩的實現使得將UV-C LD結合到各種應用系統中成為可能，并且有望成為向實際應用邁出的巨大一步。未來，該聯合課題組將繼續開展研究，構建可提供原型的系統，推動應用的發展，旨在到 2025 財年實現商業化。
圖2
該聯合研究小組專注于傳統 UV-C LD 臺面條紋邊緣出現的晶體無序，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計而削弱驅動電壓。作為使用各種原型、分析和建模進行多方面調查的結果，我們發現晶體缺陷的原因是臺面條紋上的局部應力集中。因此，為了控制應力，我們將臺面條紋結構從傳統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，研究人員同時改進了光學設計和薄膜晶體生長條件，實現了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動功率降低到傳統水平的 1/10。借以上成果，我們在世界上率先實現了室溫連續振蕩，這是半導體激光器發展的一個重要里程碑。制成的深紫外半導體激光器封裝器件在室溫下用直流驅動時，可以清楚地觀察到連續波光，如圖4。這一結果充分表明，UV-C波段的深紫外半導體激光器在未來具有實用化的潛力。
圖4
2019年，Asahi Kasei 和名古屋大學可持續發展材料與系統研究所未來電子綜合研究中心 Hiroshi Amano 教授領導的研究小組開發了一種深紫外（在 UV-C 的波長范圍內）半導體激光器，使用氮化鋁 (AlN) 基板。結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。成功開發的短波長 UV-C 半導體激光器使用了旭化成集團公司 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射做出了重大貢獻。
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