紫外线激光器实现连续激射

将一对n型电极与增强的光学限制相结合，首次实现了在UVC中的连续激射

日本的一个研究小组声称，他们已经生产出了第一个在UVC中提供连续激射的激光二极管,其光谱范围为 280 nm 至 200 nm。由Asahi Kasei 公司和名古屋大学合作生产的该器件运行在5℃下，在275 nm处发出的输出功率略高于1 mW。

"我们相信报道中的这次成功是向实用的紫外线激光二极管的一个飞跃，"团队发言人Ziyi Zhang说，他同时隶属于Asahi Kasei 公司和名古屋大学。据他介绍，紫外线激光器可用于各种任务，包括生物和化学传感、粒子检测、快速消毒、日盲通信和材料加工。

CW发射来自于一对n型电极的引入和有源区材料质量的提高。

该团队之所以成功，是将最近在紫外激光器设计方面的突破，与引入一个具有更高程度的光学限制的架构和增加一对n型电极相结合。由此产生的紫外连续波激光器是在自支撑AlN上生长的，其特点是：具有高内部量子效率的有源区；偏振诱导的掺杂；确保更大的光学限制层；以及一对添加到顶部表面的n型电极。

请注意，虽然n型电极通常被放置在激光二极管的背面，以确保器件的低电阻，但这并不是第一次将其添加到此类器件的顶部。这样的配置以前曾被用于在蓝宝石上生长的激光器。

Zhang和他的同事通过评估在单晶AlN基底上通过MOCVD生产的一系列器件的性能，取得了突破性进展。

该团队通过沉积包含以下内容的外延堆栈来制作控件： 350 nm的n型Al_0.7Ga_0.3N光学限制层；100 nm厚的Al_0.63Ga_0.27N波导，包含一对4.5 nm厚的量子阱；320 nm厚的p型分布偏振掺杂限制层；和p型接触层。干法蚀刻和解理产生的一个具有5μm宽台面条纹和600μm长空腔的器件。为了将腔镜面反射率提高到90%，该团队沉积了5对HfO₂/SiO₂。

具有Al_0.75Ga_0.25N限制层的变体, 让Zhang和同事考虑量子阱中光学限制差异的影响。增加铝含量降低了折射率，减少了光学模式的泄漏，并降低了脉冲模式操作下的阈值电流。然而，所有这些都是以增加串联电阻为代价的。

基于这点，该团队继续生产了一对器件，它们的区别仅在于在台面条纹旁边有一个或两个n型电极。由于减少了量子阱中的点缺陷，这两种设计的量子效率都高于其前身。

对这些TO封装的器件进行电光脉冲测量，结果显示阈值电流密度仅为2.8 kA cm^-2，这归功于内部量子效率的提高。从单个n型电极切换到一对n型电极，将电阻从20Ω降低到12Ω，并首次实现了连续激射。激光阈值电流密度略升高到 3.7 kA cm^-2 。

据说现在应该努力实现更低的阈值电流密度实现连续发射。这需要更高的内量子效率和注入效率，相比之下，注入效率可能仍然低于10%，而基于InGaN的激光二极管通常为60%或更高。

Zhang透露，他和同事们将继续改进他们的器件，目标是生产出性能适合用户测试的紫外线激光器。"鉴于激光二极管在任何波长范围内的发展历史，在室温下实现连续波激射是器件性能提升的下一个重要里程碑"。

参考文献

 S. Kumar et al. Appl. Phys. Express 15 054001 (2022)

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