近期，国外一组研究团队宣布，他们成功地演示了世界上第一个室温下的深紫外激光二极管（波长到UV－C区域）的连续波激光。这项成果代表着这种技术向未来广泛的应用迈出了一步，包括灭菌和一系列医学场景。
相关的两篇研究论文发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）杂志上。该研究项目由2014年诺贝尔奖得主天野浩（Hiroshi Amano）领导的名古屋大学可持续材料和系统研究所（IMaSS）下一支研究小组以及日本旭化成株式会社（Asahi Kasei Corporation）合作开展。
图1 电注入式半导体激光器
自20世纪60年代引入以来，经过几十年的研究和发展，激光二极管（LDs）终于成功实现了商业化，并应用于从红外到蓝紫色的许多波长的应用，这种技术的例子包括带有红外激光二极管的光通信设备和使用蓝紫色二极管的蓝光光盘。然而，在全球科研人员的努力下，却迟迟没有人能开发出深紫外线二极管。直到2007年之后，氮化铝（AlN）衬底技术成为了一个关键的突破，它是一种用于生长紫外发光器件的氮化铝镓（AlGaN）薄膜的理想材料。自那以后，科学家们获得了更多推进深紫外二极管研发的动力。
从2017年开始，天野浩（Hiroshi Amano）教授的研究小组与提供2英寸AlN基板的日本旭化成株式会社合作，开始开发深紫外线二极管。起初，他们发现向设备中注入足够的电流太难，该团队开发UV－C激光二极管的步伐一度遭到阻滞。但在2019年，该研究小组使用极化诱导掺杂技术成功解决了这一问题。他们第一次产生了一种短波紫外可见（UV－C）二极管，它与短脉冲电流一起工作。然而，这些电流脉冲所需的输入功率为5．2W——这对于连续波激光而言功率太高了，会导致二极管迅速升温并停止出光。
图2 新型深紫外LD结构示意及截面扫描电镜图像
Hiroshi Amano教授团队从热致深紫外激光输出不稳定的机理出发，提出了阈值电流会受到LD自身温度变化影响的判断。同时，针对过高驱动电压导致LD发热的现象，该团队重新改进了LD发射结的结构，最终在室温下获得了较好的深紫外输出表现。
在本项工作中，Hiroshi Amano教授团队采用了和以往相似的材料组合，来进行激光器的设计：该设计方案以AlN单晶为衬底，以金属有机化合物气相沉积(MOCVD)为生成技术，生长出一个如图2所示，厚度约为400 nm，并且有硅掺杂的多层结构。需要说明的是，最终组装后的LD单片，谐振腔长度仅为600 μm。微型化的结构增加了LD的便携度，同时也拓展了其可能存在的应用环境。在这项设计中，异质结构边缘的倾斜角度被特意控制为15°，这个角度能够很好地解决边缘应力造成的结构变形问题，在以往的结构设计中这一点并未被过多研究，这也导致活性层的结构会因应力作用而被破坏。而P、N电极之间的横向距离也被刻意减少，以期达到降低阈值电压的预设目标。
图3 受温度影响的L-I-V曲线
通过采用高精度、大量程的特种温度计以及标定参数的光电二极管，该团队完整地测试出了PN结温度与光-电流-电压(L-I-V)关系的曲线，最终测试所得的曲线如图3所示，随着结温的升高，阈值电压也呈现出上升的趋势。此外，输出激光的发射功率也会因结温及驱动电流等因素而出现改变。但在室温下，无论是阈值电流、驱动电压抑或是激光器输出功率，各项参数均处于一个较为优秀的水平，这也验证了室温环境下输出激光的理论设计预期。
但最近，来自名古屋大学和日本旭化成株式会社的研究人员已经改造了设备本身的结构，降低了激光器在室温下仅1．1W工作所需的驱动功率。早期的器件被发现需要高水平的工作功率，因为无法形成有效的电流路径，而这又是因为激光条纹存在晶体缺陷。
图4 受温度影响的L-I-V曲线
通过合理的参数拟合公式，激光器输出激光中心波长与结温的关系曲线也被绘制了出来，最终结果如图4所示，室温下，LD输出脉冲的中心波长会以32 pm/K的速率发生平移，最终的峰值波长会位于274 nm处。虽然会因结温变化而出现波长平移，但该平移水平较低，激光器仍然能够维持较好的深紫外激光输出表现。
图5 输出激光中心波长随结温变化的关系曲线
最终，研究人员在激光输出峰值功率为1 mW的条件下，分别表征了输出激光的水平及垂直远场模式(FFP)，如图5所示，水平FFP中存在多个峰值，这表明输出激光中存在多种横向模态，也与设计理论相匹配。
图6 输出激光水平及垂直远场模式的表征
但在上述这项最新的研究中，研究人员发现强晶体应变造成了这些缺陷。通过巧妙地剪裁激光条纹的侧壁，他们抑制了缺陷，实现了有效的电流流到激光二极管的有源区域，降低了工作功率。
名古屋大学的产学研合作平台——未来电子综合研究中心转化电子设施（C－TEFs），使这种紫外线激光技术的新发展成为了可能。在C－TEFs的支持下，来自日本旭化成株式会社等合作伙伴的研究人员能够共享名古屋大学校园内的最先进设施，为他们提供制造可复制的高质量设备所需的人员和工具。
该研究对半导体激光器在所有波长范围内的实际应用和发展具有里程碑意义，对于需要消毒手术室的外科医生和护士而言尤其有利。未来，UV－C激光器可以应用于医疗保健、病毒检测、颗粒测量、气体分析和高清激光处理。该研究小组的代表Zhang Ziyi在参与项目创建时，正在日本旭化成株式会社读二年级。他表示“它在灭菌技术中的应用可能是突破性的。与目前低效的LED杀菌方法不同，激光可以在短时间内、远距离范围对大面积区域进行消毒。”
原文转载于公众号【第三代半导体产业】