수직형 자외선 반도체 레이저의 고광출력 실현! 의학 및 레이저 가공 분야의 유망한 실제 응용

최근 일본 연구팀이 AlGaN 기반의 수직형 심자외선 방출 반도체 레이저 소자를 제작해 레이저 가공, 생명공학, 의학 분야에 응용이 기대되고 있다.
우리 모두 알고 있듯이 자외선(UV)은 파장 범위가 100~380nm인 전자기파입니다. 이러한 파장은 UV-A(315-380 nm), UV-B(280-315 nm) 및 UV-C(100-280 nm)의 세 가지 영역으로 나눌 수 있습니다. ), 후자의 두 영역은 심자외선을 포함합니다.
이트륨-알루미늄-가넷 레이저의 고조파를 기반으로 하는 가스 레이저, 고체 레이저 등 UV 영역에서 방출되는 레이저 광원은 생명공학, 피부과 치료, UV 경화 공정 및 레이저를 포함한 광범위한 응용 분야에 사용될 수 있습니다. 처리. 그러나 이러한 레이저는 크기가 크고, 전력 소비가 높으며, 파장 범위가 제한되고 효율이 낮다는 문제가 있습니다.

최근에는 지속적인 제조기술의 발전과 병행하여 전류를 주입하여 빛을 발생시키는 고성능 반도체 레이저의 개발이 추진되고 있다. 여기에는 반도체 재료인 알루미늄 갈륨 질화물 AlGaN을 기반으로 한 자외선 발광 장치가 포함됩니다. 그러나 깊은 UV 영역에서 최대 광 출력 전력은 약 150mW에 불과하며 이는 의료 및 산업 응용 분야에 필요한 전력보다 훨씬 낮습니다. 출력 전력을 높이려면 장치의 주입 전류를 높이는 것이 중요합니다. 이를 위해서는 소자의 크기가 커져야 하고, 소자 내에서 전류가 균일하게 흐르도록 보장해야 합니다.
이번 연구의 맥락에서 일본 메이조대학교 재료공학과 이와야 모토메 교수가 이끄는 연구팀은 고성능 수직형 AlGaN형 UV-B 반도체 레이저 다이오드 개발에 성공했다. 이 연구는 Applied Physics Letters 저널에 게재되었습니다.
이와야 모토메 교수는 기존의 AlGaN 기반 심자외선 레이저는 고품질 결정을 얻기 위해 사파이어, AlN 등의 절연 재료를 활용한다고 밝혔습니다. 그러나 이러한 장치에서는 전류가 측면으로 흐르기 때문에 광 출력을 향상시키기 위해 과학자들은 pn 접합에서 p 전극과 n 전극이 서로 마주보는 수직 장치를 연구했습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 고전력 반도체 장치를 구현하기 위해 수직 구성이 사용되었습니다. 그러나 반도체 레이저의 경우 이러한 구성의 개발이 정체되어 있으며 질화알루미늄을 기반으로 하는 원자외선 발광 장치에 대해서는 아직 구현되지 않았습니다. 이를 위해 연구진은 먼저 사파이어 기판 위에 고품질 질화알루미늄을 제작했습니다. 그런 다음 주기적인 질화알루미늄 나노기둥이 형성되고 질화알루미늄 기반 레이저 구조로 증착되었습니다.
팀은 펄스 고체 레이저를 기반으로 한 혁신적인 레이저 스트리핑 기술을 활용하여 기판에서 장치 구조를 제거했습니다. 또한 레이저 발진에 필요한 전극, 전류 제한 구조, 절연층을 제조하기 위한 반도체 공정과 우수한 광 공진기를 형성하기 위해 블레이드를 사용하는 쪼개짐 방법을 개발했습니다. 그 결과 AlGaN 기반 Deep UV-B 반도체 레이저 다이오드는 새롭고 독특한 특성을 가지고 있습니다. 실온에서 작동하고 298.1 nm에서 매우 날카로운 빛을 방출하며 잘 정의된 임계 전류와 강한 횡 전기 분극을 갖습니다. 연구원들은 또한 레이저 특유의 점과 같은 원거리 패턴을 관찰하여 장치의 진동을 확인했습니다.
이 연구는 수직형 장치가 고전력 장치의 작동을 위해 높은 전류를 제공할 수 있음을 보여줍니다. 앞으로는 특히 전기 자동차와 인공 지능을 위한 새로운 비용 효율적인 제조 프로세스에서 더 큰 역할을 하게 될 것입니다. 또한 연구원들은 질화알루미늄 기반 수직 UV 레이저가 의료 및 제조 분야에서 실용적인 응용 분야를 찾을 수 있기를 바라고 있습니다.