การสร้างเอาท์พุตออปติคัลสูงของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อัลตราไวโอเลตแนวตั้ง! การใช้งานจริงที่น่าหวังในสาขาการแพทย์และการแปรรูปด้วยเลเซอร์

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมศึกษาวิจัยของญี่ปุ่นได้ประดิษฐ์อุปกรณ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตลึกในแนวตั้งที่ใช้ AlGaN ซึ่งคาดว่าจะนำไปใช้ในด้านการประมวลผลด้วยเลเซอร์ เทคโนโลยีชีวภาพ และการแพทย์
ดังที่เราทราบกันดีว่าแสงอัลตราไวโอเลต (UV) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงความยาวคลื่น 100 ถึง 380 นาโนเมตร ความยาวคลื่นเหล่านี้สามารถแบ่งออกเป็นสามบริเวณ: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) และ UV-C (100-280 nm) ) สองบริเวณหลังที่มีแสงอัลตราไวโอเลตลึก
แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่เปล่งออกมาในบริเวณที่มีรังสียูวี เช่น เลเซอร์แบบแก๊สและเลเซอร์โซลิดสเตตที่อาศัยฮาร์โมนิกของเลเซอร์อิตเทรียม-อลูมิเนียม-โกเมน สามารถนำไปใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงเทคโนโลยีชีวภาพ การบำบัดทางผิวหนัง กระบวนการบ่มด้วยรังสียูวี และเลเซอร์ กำลังประมวลผล. อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ดังกล่าวประสบปัญหาจากขนาดใหญ่ การใช้พลังงานสูง ช่วงความยาวคลื่นที่จำกัด และประสิทธิภาพต่ำ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่สร้างแสงโดยการฉีดกระแสไฟฟ้าได้รับการส่งเสริมควบคู่ไปกับการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตอย่างต่อเนื่อง ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์เปล่งแสงอัลตราไวโอเลตที่ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อะลูมิเนียมแกลเลียมไนไตรด์ AlGaN อย่างไรก็ตาม กำลังเอาท์พุตแสงสูงสุดในย่าน UV ระดับลึกอยู่ที่ประมาณ 150 mW ซึ่งต่ำกว่าพลังงานที่จำเป็นสำหรับการใช้งานทางการแพทย์และอุตสาหกรรมมาก การเพิ่มกระแสการฉีดของอุปกรณ์ถือเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มกำลังเอาท์พุต สิ่งนี้จำเป็นต้องเพิ่มขนาดอุปกรณ์และต้องแน่ใจว่ากระแสไหลในอุปกรณ์อย่างสม่ำเสมอ
ในบริบทของการวิจัยนี้ ทีมวิจัยของญี่ปุ่นที่นำโดยศาสตราจารย์ Motome Iwaya จากภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Meijo ประสบความสำเร็จในการพัฒนาไดโอดเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ UV-B ชนิด AlGaN แนวตั้งที่มีประสิทธิภาพสูง การศึกษานี้ตีพิมพ์ในวารสาร Applied Physics Letters
ศาสตราจารย์ Motome Iwaya กล่าวว่าเลเซอร์อัลตราไวโอเลตลึกที่ใช้ AlGaN ที่มีอยู่ใช้วัสดุฉนวน เช่น แซฟไฟร์และ AlN เพื่อให้ได้คริสตัลคุณภาพสูง แต่เนื่องจากกระแสไหลในอุปกรณ์เหล่านี้ในแนวขวาง เพื่อปรับปรุงการปล่อยแสง นักวิทยาศาสตร์จึงสำรวจอุปกรณ์แนวตั้ง โดยที่ขั้วไฟฟ้า p และ n หันหน้าเข้าหากันที่จุดเชื่อมต่อ pn แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการใช้การกำหนดค่าแนวตั้งเพื่อรับรู้ถึงอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง แต่สำหรับเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ การพัฒนารูปแบบดังกล่าวยังคงนิ่งและยังไม่เกิดขึ้นจริงสำหรับอุปกรณ์เปล่งแสงอัลตราไวโอเลตลึกที่ใช้อะลูมิเนียมไนไตรด์ ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงได้ประดิษฐ์อะลูมิเนียมไนไตรด์คุณภาพสูงบนพื้นผิวแซฟไฟร์เป็นครั้งแรก จากนั้น เสานาโนอะลูมิเนียมไนไตรด์เป็นระยะๆ จะถูกสร้างขึ้นและทับด้วยโครงสร้างเลเซอร์ที่ใช้อะลูมิเนียมไนไตรด์
ทีมงานใช้เทคนิคการปอกด้วยเลเซอร์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่โดยใช้เลเซอร์โซลิดสเตตแบบพัลซ์เพื่อดึงโครงสร้างอุปกรณ์ออกจากพื้นผิว พวกเขายังพัฒนากระบวนการเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างอิเล็กโทรด โครงสร้างจำกัดกระแส และชั้นฉนวนที่จำเป็นสำหรับการออสซิลเลชันของเลเซอร์ และวิธีการแยกโดยใช้ใบมีดเพื่อสร้างตัวสะท้อนแสงที่ดีเยี่ยม เลเซอร์ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ UV-B แบบลึกที่ใช้ AlGaN เป็นผลลัพธ์ที่ได้ มีคุณสมบัติแปลกใหม่และไม่เหมือนใคร มันทำงานที่อุณหภูมิห้อง ปล่อยแสงที่คมชัดอย่างยิ่งที่ 298.1 นาโนเมตร มีเกณฑ์กระแสที่กำหนดชัดเจนและโพลาไรเซชันไฟฟ้าตามขวางที่แข็งแกร่ง นักวิจัยยังได้สังเกตรูปแบบสนามไกลที่มีลักษณะคล้ายเลเซอร์เฉพาะจุด เพื่อยืนยันการสั่นของอุปกรณ์
การศึกษาแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์แนวตั้งสามารถจ่ายกระแสสูงให้กับการทำงานของอุปกรณ์กำลังสูงได้ ในอนาคต บริษัทจะมีบทบาทมากขึ้นในกระบวนการผลิตใหม่ที่คุ้มต้นทุนสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและปัญญาประดิษฐ์ และอื่นๆ และนักวิจัยยังหวังว่าเลเซอร์ UV แนวตั้งที่ใช้อะลูมิเนียมไนไตรด์จะพบการใช้งานจริงในสาขาการแพทย์และการผลิต