旭化成和名古屋大学实现世界首个深紫外半导体激光器室温连续振荡

旭化成与名古屋大学可持续发展材料与系统研究所未来电子综合研究中心天野浩教授领导的研究小组在世界上首次成功实现了 UV-C 波段为 274 nm 的深紫外半导体激光器 (UV-C LD) 的室温连续振荡。

图1

UV-C LD是一种光源，有望在杀菌和医疗等方面有广泛的应用。这一次，联合课题组进一步发展了技术，并成功地用更实用的直流电源实现了激光振荡。联合研究小组发现，形成 UV-C LD 器件的晶体扰动会降低激光特性，并成功制造出不产生任何晶体扰动的器件。 因此，激光振荡所需的驱动功率已降低到传统激光器的 1/10，实现了室温连续振荡，也可以由电池驱动。

利用 UV-C LD 的特性，高清激光可用于医疗和灭菌等医疗保健应用、病毒检测、微粒测量、气体分析应用以及难以微细加工的材料，如金属、碳材料、树脂材料等，有望应用于加工领域。室温连续振荡的实现使得将UV-C LD结合到各种应用系统中成为可能，并且有望成为向实际应用迈出的巨大一步。未来，该联合课题组将继续开展研究，构建可提供原型的系统，推动应用的发展，旨在到 2025 财年实现商业化。

图2

该联合研究小组专注于传统 UV-C LD 台面条纹边缘出现的晶体无序，即晶体缺陷。台面条纹边缘的晶体缺陷不仅通过延伸到腔体中而使阈值电流密度恶化，而且通过限制电极设计而削弱驱动电压。作为使用各种原型、分析和建模进行多方面调查的结果，我们发现晶体缺陷的原因是台面条纹上的局部应力集中。因此，为了控制应力，我们将台面条纹结构从传统的垂直型改为倾斜型，成功抑制了晶体缺陷。如图2所示。

图 3

此外，研究人员同时改进了光学设计和薄膜晶体生长条件，实现了4.2 kA/cm2的阈值电流密度和8.7 V的阈值电压，均为世界最高水平，如图3。这使得可以将激光振荡所需的驱动功率降低到传统水平的 1/10。借以上成果，我们在世界上率先实现了室温连续振荡，这是半导体激光器发展的一个重要里程碑。制成的深紫外半导体激光器封装器件在室温下用直流驱动时，可以清楚地观察到连续波光，如图4。这一结果充分表明，UV-C波段的深紫外半导体激光器在未来具有实用化的潜力。

图4

2019年，Asahi Kasei 和名古屋大学可持续发展材料与系统研究所未来电子综合研究中心 Hiroshi Amano 教授领导的研究小组开发了一种深紫外（在 UV-C 的波长范围内）半导体激光器，使用氮化铝 (AlN) 基板。结果是在室温下脉冲电流注入下，世界上最短的激光波长为 271.8 nm。成功开发的短波长 UV-C 半导体激光器使用了旭化成集团公司 Crystal IS, Inc. 制造的 2 英寸 AlN 基板。Crystal IS 的 2 英寸 AlN 基板具有极低缺陷密度，为成功的短波长激光发射做出了重大贡献。