다이오드 레이저는 심자외선으로 점프합니다.

수년간의 지연 끝에 반도체 다이오드 레이저가 마침내 원자외선에서 작동하여 바이오 센서 및 살균의 길을 제시했습니다.

제프 헥트

Ambient에서 전기 테스트 중인 HexaTech AlN 기판에서 제작된 UV LED. 

이미지: Adroit 재료

HexaTech의 AlN 웨이퍼에서 Adroit Materials에 의해 제작된 많은 UV LED.

 

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깊은 자외선에서 방출하는 최초의 전기 구동식 반도체 레이저는 새로운 분야로의 큰 발걸음을 내딛는 것이라고 노스 캐롤라이나주 Cary의 Adroit Materials와 협력하고 있는 North Carolina 주립 대학의 재료 과학 교수인 Ramón Collazo는 말합니다.

 

연구원들은 다이오드 레이저가 실험실 레이저에서도 315nm보다 짧은 자외선을 방출하는 것을 차단하는 "단단한 벽"이 있다고 생각했다고 Collazo는 말합니다. 이제 효율적인 청색 발광 다이오드를 발명한 공로로 2014년 노벨 물리학상을 공동 수상한 나고야 대학의 아마노 히로시(Hiroshi Amano)를 포함한 팀은 자외선에 40nm 이상 더 깊은 271.8nm 다이오드 레이저를 시연함으로써 또 다른 돌파구를 마련했습니다.

 

Amano가 공저한 논문의 주저자인 Fuji의 Asahi Kasei Corporate Research Center의 Ziyi Zhang은 "생물 감지 및 살균이 심자외선 다이오드 레이저의 첫 번째 주요 응용 분야가 될 것으로 예상됩니다"라고 말합니다. 다이오드 레이저를 기반으로 하는 바이오 센서는 현재 300nm보다 짧은 파장에서 사용할 수 있는 유일한 유형인 부피가 큰 가스 ​​레이저보다 "훨씬 더 작고 저렴하며 더 쉽게 교체할 수 있다"고 Zhang은 말합니다.

Collazo는 미 국방부가 바이오 센싱을 위한 심자외선 레이저 개발에 막대한 투자를 했지만 “3개의 DARPA 프로그램 후에 일본이 이를 얻었다”고 웃으며 말했습니다. 그는 심자외선 레이저를 시연하면 220~365nm의 넓은 범위에 걸쳐 다이오드 레이저를 만들 수 있는 문이 열린다고 말했습니다.

 

동일한 화합물인 질화알루미늄-갈륨으로 만들어진 상용 LED는 210nm만큼 짧은 파장을 방출할 수 있습니다. 그러나 빛이 빠르게 퍼지고 수십 센티미터 후에는 전력이 거의 남지 않아 적용이 제한됩니다. 레이저 다이오드는 더 먼 거리에 빔을 집중시켜 작은 지점에 더 높은 전력을 전달하고 LED의 10nm 이상에 비해 빛이 1nm 미만의 대역에 집중됩니다. "레이저 다이오드의 이러한 기능은 일부 의료 응용 분야를 가능하게 해야 합니다."라고 Zhang은 말합니다.

 

다이오드 레이저는 전류 캐리어가 결합하여 빛을 방출하는 층을 통해 더 높은 전류 밀도를 통과해야 하기 때문에 LED보다 만들기가 훨씬 더 어렵습니다. 이는 높은 전류 밀도에서 고장을 일으킬 수 있는 결정 결함이 발생하기 쉽기 때문에 청색, 보라색 및 자외선에서 방출하는 질화물 화합물의 경우 특히 문제입니다. 이러한 물질적 문제는 나고야 대학의 Amano와 Isamu Akasaki와 당시 Nichia Corporation의 Shuji Nakamura가 초기에 청색 방출에 필요한 갈륨, 인듐 및 질소의 혼합물을 처리하는 새로운 방법을 개발할 때까지 청색 LED 및 다이오드 레이저의 발전을 지연시켰습니다. 1990년대. 그들은 처음에는 LED로, 나중에는 Blu-Ray 디스크에 고화질 디지털 비디오를 저장하는 데 필요한 405nm 파장의 다이오드 레이저로 성공했습니다.

 

갈륨, 인듐 및 질소로 만든 다이오드는 청색광을 방출하며 인듐 함량이 감소함에 따라 파장이 감소하여 순수한 GaN에서 약 370nm에 도달합니다. 더 짧은 파장에 도달하기 위해 일부 갈륨을 대체하려면 알루미늄을 추가해야 하지만 알루미늄을 추가하면 화합물이 결함에 더 취약해집니다. 이는 2006년 심자외선에서 210나노미터에 도달한 LED의 경우 심각한 문제가 아닙니다. 그러나 다이오드 레이저의 높은 전류 밀도는 자외선에서 개발을 지연시켰습니다. 상업용 다이오드의 가장 짧은 파장은 375nm로 유지되며 수명이 짧은 실험실 버전은 수년 동안 약 320nm에서 정지 상태를 유지했습니다. 

 

2018년에 Adroit 최고 운영 사무소인 Ronny Kirste가 이끄는 North Carolina State and Adroit Materials(NC, Cary)의 팀은 갈륨보다 더 많은 알루미늄을 포함하는 AlGaN의 결함 수준을 줄여 원자외선에서 265nm에서 레이저 광을 생성할 수 있었습니다. 그러나 그들의 반도체 레이저는 대형 펄스 가스 레이저에서 나오는 193nm 빛에 의해 구동되는데, 이는 연구에는 유용하지만 응용에는 실용적이지 않은 기술입니다. 실용적인 심자외선 레이저의 성배는 반도체를 통과하는 전류로 직접 전원을 공급하는 것입니다.

 

나고야 후지의 Asahi Kasei Corporate R&D 팀과 뉴욕 그린 아일랜드의 Crystal IS 팀은 271.8nm에서 방출하는 새로운 전기 구동식 다이오드 레이저를 시연했습니다. 성공의 열쇠는 레이저 다이오드 구조의 설계, 반도체 도핑 기술, 임계 전류와 작동 전압을 감소시키는 단결정 AlN 기판의 에피택셜 성장이라고 Zhang은 말합니다. 구조의 층에는 갈륨보다 최대 2배 많은 알루미늄이 포함되어 있습니다.

 

다이오드 샌드위치의 그림

삽화: Asahi-Kasei Corp.

Asahi-Kasei Corp.의 271.8nm 다이오드 레이저 구조 

 

레이저는 2000Hz의 속도로 50나노초 펄스를 생성했지만 대부분의 응용 분야에는 연속 레이저 빔이 필요할 것으로 예상됩니다. Zhang은 문턱 전류와 작동 전압의 추가 감소가 연속파 작동을 허용해야 한다고 말했습니다. Asahi Kasei는 재료 시스템에 대한 이해를 높이고 상용 버전을 개발하기 위해 Nagoya와 계속 팀을 구성할 계획입니다.

 

Adroit Materials는 이미 AlGaN에 대해 연구했으며 현재 Asahi Kasei 결과를 복제하기 위해 노력하고 있습니다. Kirste는 "우리는 대부분의 단파장 자외선 응용 분야에서 오랫동안 실용적인 유일한 레이저 소스였던 가스 레이저를 대체하기를 원합니다"라고 말합니다. "시장은 거대합니다." 그 시장의 대부분은 DNA가 260nm에서 강하게 흡수하기 때문에 생물학적입니다. 잠재적인 병원균을 포함한 생물학적 물질을 감지하는 것 외에도 밝은 심자외선 소스는 DNA를 분해하여 병원균을 죽일 수 있습니다. 이 범위에서 방출되는 UV LED는 이미 물 공급이 의심되는 현장에서 군인이 필요로 하는 소량의 물을 살균할 수 있습니다. 소형 레이저 소스는 더 많은 양을 더 빨리 살균할 수 있습니다.