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新しいレーザーダイオード:深紫外線を放射することができます

2021-12-21

バックグラウンド

「UV-C(200ナノメートルから280ナノメートルの波長範囲)」としても知られる短波長紫外線を放出するレーザーダイオードは、医療およびヘルスケア分野での消毒、乾癬などの皮膚疾患の治療、およびガスとDNAの分析。

革新

『Applied Physics Express』誌に掲載された論文によると、日本の名古屋大学と旭化成の科学者たちは、深紫外線を放射するレーザーダイオードの設計に成功しました。

蓄光スクリーンに投影されたUV-Cレーザーの遠方場パターン(画像出典:名古屋大学、旭化成株式会社)

名古屋大学未来電子統合研究センターの笹岡千秋教授は、「当社のレーザーダイオードは、室温でのパルス電流注入により、世界最短のレーザー波長(271.8ナノメートル)を放出します」と述べています。紫外線レーザーダイオードに関する報告この研究では、336ナノメートルという低いレーザー放射しか達成されませんでした。

テクノロジー

名古屋大学の深紫外線レーザーダイオードは、これらの半導体デバイスを開発するために科学者が直面したいくつかの問題を克服します。

チームは、レーザーダイオード層の構築の基礎として高品質の窒化アルミニウム(AIN)基板を使用しました。低品質のAINには多数の欠陥が含まれているため、これが必要であると彼らは言いました。これは、最終的に、電気エネルギーを光エネルギーに変換するレーザーダイオードの活性層の効率に影響を与えます。

レーザーダイオードでは、「p型」層と「n型」層は「量子井戸」によって分離されています。レーザーダイオードに電流が流れると、p型層の正に帯電した正孔とn型層の負に帯電した電子が中央に向かって結合し、光子の形でエネルギーを放出します。

研究者たちは、深紫外線を放出するこの種の量子井戸を設計しました。このp型層とn型層は窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)でできています。クラッド層もAlGaNでできており、p型層またはn型層に実装されています。 N型層の下のクラッド層にはシリコン不純物が含まれており、このプロセスは「ドーピング」とも呼ばれます。ドーピングは、材料の特性を変更する手法として使用されます。 p型層のクラッド層は分散分極ドーピングされており、この層をドープするときに不純物が追加されることはありません。 p側クラッド層のアルミニウム含有量は設計されており、下部が最も高く、上部に向かって減少します。研究者は、アルミニウム含有量のこの勾配が正に帯電した穴の流れを改善すると信じています。最後に、マグネシウムをドープしたp型AlGaNでできたトップコンタクト層を追加しました。

UV-C半導体半導体レーザーダイオードの断面構造(写真提供:名古屋大学、旭化成株式会社)
研究者らは、p側クラッド層の偏光ドーピングは、「これまでの最短波長」のレーザー放射には「非常に低い動作電圧(13.8ボルト)」のパルス電流が必要であることを意味することを発見しました。

パルス動作時の発光特性(画像出典:名古屋大学、旭化成株式会社)




チームは現在、旭化成株式会社と協力して、室温での連続的な深紫外線レーザー放射を実現し、UV-C半導体レーザー製品を開発しています。