반도체 나노와이어를 사용한 초저임계 표면 방출 자외선 레이저

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6633(2023) 이 기사 인용

555 액세스

측정항목 세부정보

표면발광(SE) 반도체 레이저는 통신, 센싱 등 다양한 방식으로 우리의 일상생활을 변화시켜 왔습니다. SE 반도체 레이저의 작동 파장을 더 짧은 자외선(UV) 파장 범위로 확장하면 소독, 의료 진단, 광선 요법 등으로 응용 범위가 더욱 넓어집니다. 그럼에도 불구하고 UV 범위에서 SE 레이저를 구현하는 것은 여전히 ​​어려운 과제로 남아 있습니다. 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 사용한 UV SE 레이저의 최근 획기적인 발전에도 불구하고, 전기 주입된 AlGaN 나노와이어 UV 레이저는 무작위 광학 공동을 기반으로 하는 반면, AlGaN UV 수직 공동 SE 레이저(VCSEL)는 모두 광학 펌핑을 통해 이루어지며 모두 수백 kW/cm2 ~ MW/cm2 범위의 큰 레이저 임계 전력 밀도를 갖습니다. 여기에서 우리는 GaN 기반 에피택셜 나노와이어 광결정을 사용하여 UV 스펙트럼 범위에서 초저 임계값 SE 레이저를 보고합니다. 367nm에서의 레이징은 약 7kW/cm2(~49μJ/cm2)의 임계값으로 측정되었으며, 이는 비슷한 레이징 파장에서 이전에 보고된 기존 AlGaN UV VCSEL에 비해 100배 감소한 수치입니다. 이는 또한 UV 범위에서 나노와이어 광결정 SE 레이저의 첫 번째 성과이기도 합니다. 또한 III-질화물 나노와이어에 이미 확립된 우수한 전기 도핑을 고려할 때, 이 연구는 오랫동안 기다려온 반도체 UV SE 레이저 개발을 위한 실행 가능한 경로를 제공합니다.

SE 반도체 레이저는 포토닉스, 정보 통신 기술, 생물 의학 등 다양한 분야에서 중요합니다1,2,3,4,5,6. 가장자리 방출 레이저와 비교하여 SE 레이저는 낮은 빔 발산, 원형 원거리장 패턴, 빠른 변조 속도, 2차원 통합 기능 등과 같은 여러 가지 장점을 제공합니다5, 7. 수십 년에 걸쳐 개발된 갈륨 비소( GaAs) 기반 근적외선(IR) SE 레이저는 얼굴 인식 및 비행 시간 이미징과 같은 데이터 통신과 3D 감지 모두에 영향을 미치면서 수십억 달러 규모의 산업으로 변모했습니다8,9,10,11,12. 불행하게도 근적외선에서 SE 레이저의 성공은 더 짧은 가시광선 및 UV 스펙트럼 범위에서는 나타나지 않습니다. 예를 들어, 최근 몇 년간 GaN 기반 청색 및 녹색 SE 레이저의 고무적인 발전에도 불구하고 아직 IR4, 10, 13,14,15에 해당하는 레이저와 동일한 성숙도에 도달하지 못했습니다. 16,17,18,19,20,21,22,23. UV 범위에서는 상황이 더욱 뒤쳐집니다. 기존 기술 중 어느 것도 실제 적용 요구 사항을 충족할 수 없습니다. UV SE 레이저 개발의 획기적인 발전은 소독, 의료 진단, 광선 요법, 치료 및 고해상도 3D 프린팅24, 25을 포함하여 일상 생활과 관련된 다양한 응용 분야에 중추적입니다.

현재 유기 반도체 및 산화아연(ZnO)과 같은 다른 재료 시스템뿐만 아니라 비선형 광학을 근적외선 GaAs 기반 VCSEL에 결합하는 것과 같은 다른 광자 기술을 사용하여 UV SE 레이저를 개발하려는 기존의 많은 노력이 있습니다. , 참고문헌 26,27,28,29,30,31. AlGaN은 직접적, 초광대역 및 조정 가능한 밴드갭 에너지, 화학적으로 안정하고 기계적으로 강하며 매우 컴팩트한 등과 같은 여러 가지 장점으로 인해 UV SE 레이저 개발에 대한 폭넓은 관심을 받아 왔습니다. 그럼에도 불구하고, 지금까지 입증된 전기 주입 AlGaN 나노와이어 UV SE 레이저는 모두 무작위 광학 공동을 기반으로 하는 반면, AlGaN UV VCSEL은 모두 광학 펌핑을 통해 이루어지며 모두 큰 레이저 임계 전력 밀도를 갖습니다8, 11, 36,37 ,38,39,40,41,42,43,44,45. 예를 들어, 280nm 미만 레이저의 임계 전력 밀도는 1.2MW/cm239이고 더 긴 파장(예: 400nm에 가까운) 레이저의 경우에도 임계 전력 밀도는 약 200~400kW/cm211입니다. , 40. 여기서 우리는 GaN 기반 에피택셜 나노와이어 광결정(epi-NPC) 구조를 사용하여 UV 스펙트럼 범위에서 초저 임계값 SE 레이저를 시연합니다. 기존 AlGaN UV VCSEL의 문제를 크게 완화합니다. 이 연구에서 나타난 UV SE 레이저는 367 nm에서 임계값이 7 kW/cm2에 불과하며 이는 기존 AlGaN UV VCSEL에 비해 100배 감소한 것입니다. 광결정 기반 SE 레이저를 사용하면 넓은 영역에 걸쳐 균일한 단일 모드와 주문형 빔12과 같은 기타 이점을 잠재적으로 제공할 수도 있습니다.