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近期，康奈爾大學(xué)的研究人員成功演示了一種光泵浦的鋁氮化鎵(AlGaN)基多模激光器，該激光器能夠以低模態(tài)線寬和波長低于300 nm的波長發(fā)出深紫外(DUV)光。這種DUV發(fā)射器可用于病原體檢測(cè)和滅菌、水凈化、氣敏、光刻、量子計(jì)算與計(jì)量。
科學(xué)家和工程師們都在尋找更高質(zhì)量、更高效的紫外光發(fā)射源，但要想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，半導(dǎo)體材料是一個(gè)挑戰(zhàn)。寬帶隙半導(dǎo)體表現(xiàn)出低載流子遷移率，大摻雜活化能，以及電子和空穴輸運(yùn)之間的不對(duì)稱。該團(tuán)隊(duì)通過使用AlGaN半導(dǎo)體材料系統(tǒng)來開發(fā)高質(zhì)量的DUV發(fā)射器，并克服了這些挑戰(zhàn)。
“眾所周知，這是一種合適的材料，但它是一個(gè)材料合成的問題。挑戰(zhàn)在于如何使材料足夠純凈，使它們真正有用，并能滿足激光的要求。”研究人員Len van Deurzen表示。
該團(tuán)隊(duì)使用等離子體輔助分子束外延(一種晶體生長技術(shù))來生長打造出高質(zhì)量的氮化鋁(AlN)晶體。之后，他們采用分子束外延法在單晶AlN上生長出AlGaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
研究人員們需要多個(gè)氮化鋁鎵層相互疊加，其中一個(gè)重要的參數(shù)是這些層之間的界面質(zhì)量。他們可以在沒有雜質(zhì)和位錯(cuò)的情況下，生長出非常鋒利的界面。
Len van Deurzen在一個(gè)用于操作DUV激光發(fā)射設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室中工作。他領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種DUV半導(dǎo)體激光器，該激光器具有廣泛的潛在用途，如在光刻技術(shù)中。
為了捕獲并激發(fā)發(fā)射的光，研究人員從堆疊層中創(chuàng)建了一個(gè)光學(xué)腔。利用外延AlN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，他們制作了邊緣發(fā)射的脊基Fabry-Pérot空腔。他們通過結(jié)合的各向同性干濕蝕刻創(chuàng)造了垂直切面和脊壁。在康奈爾納米尺度科學(xué)技術(shù)設(shè)施的幫助下，van Deurzen在AlN芯片上以微米級(jí)諧振器的形式創(chuàng)建了腔體。
研究人員通過光抽運(yùn)裝置演示了多模激光。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)Fabry-Pérot激光棒在室溫下表現(xiàn)出多模發(fā)射，峰值增益為284 nm，模態(tài)線寬為0.1 nm。根據(jù)研究人員的說法，這種線寬比使用分子束外延的紫外激光的類似器件精確一個(gè)數(shù)量級(jí)。
為了實(shí)現(xiàn)具有大正時(shí)或連續(xù)波模式能力的電注入DUV鋁氮化鎵(AlGaN)基激光二極管，重要的是要進(jìn)行電子設(shè)計(jì)優(yōu)化以最大化光學(xué)增益，以及波導(dǎo)設(shè)計(jì)和生長優(yōu)化以保持較低的本征光損耗。因此，應(yīng)用的生長技術(shù)及其化學(xué)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性可用于進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn)電注入AlGaN激光二極管。
Debdeep Jena教授表示，下一步他們將使用相同的材料平臺(tái)來開發(fā)由電池電流驅(qū)動(dòng)的激光，這是一種更實(shí)用的能源，用于商業(yè)上可用的發(fā)光設(shè)備。
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