Diodenlaser springen ins tiefe Ultraviolett

Nach jahrelangen Verzögerungen hat endlich ein Halbleiterdiodenlaser im tiefen Ultraviolett gearbeitet, was den Weg zu Biosensoren und Sterilisation weist

Von Jeff Hecht

UV-LED auf HexaTech AlN-Substrat unter elektrischem Test bei Ambient. 

Bild: Geschickte Materialien

Viele UV-LEDs, hergestellt von Adroit Materials auf AlN-Wafern von HexaTech.

 

Werbung

Redakteurfavoriten

Null

Erfinder der blauen LED gewinnen den Nobelpreis für Physik

Abbildung: Bryan Christie Design

Das dunkle Geheimnis der LED

Null

Die blaue LED hat viele Eltern

Der erste elektrisch betriebene Halbleiterlaser, der im tiefen Ultraviolett emittiert, markiert einen großen Schritt in ein neues Gebiet, sagt Ramón Collazo, Professor für Materialwissenschaften an der North Carolina State University, der mit Adroit Materials in Cary, NC, zusammenarbeitet.

 

Forscher hatten gedacht, dass „es eine harte Wand gibt“, die Diodenlaser daran hindert, ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 315 nm zu emittieren, selbst in Laborlasern, sagt Collazo. Jetzt hat ein Team, darunter Hiroshi Amano von der Universität Nagoya, der sich den Nobelpreis für Physik 2014 für die Erfindung effizienter blaues Licht emittierender Dioden teilte, einen weiteren Durchbruch erzielt, indem es einen 271,8-nm-Diodenlaser demonstrierte, der mehr als 40 nm tiefer im Ultravioletten liegt.

 

„Biosensorik und Sterilisation werden voraussichtlich die ersten Schlüsselanwendungen sein“ von Diodenlasern im tiefen Ultraviolett, sagt Ziyi Zhang vom Asahi Kasei Corporate Research Center in Fuji, Hauptautor eines von Amano mitverfassten Artikels. Auf Diodenlasern basierende Biosensoren „könnten viel kleiner, billiger und leichter austauschbar sein“ als die sperrigen Gaslaser, die jetzt die einzigen Typen sind, die bei Wellenlängen kürzer als 300 nm verfügbar sind, sagt Zhang.

Das US-Pentagon habe beträchtlich in die Entwicklung von tief-ultravioletten Lasern für die Biosensorik investiert, sagt Collazo, aber „nach drei DARPA-Programmen haben die Japaner es verstanden“, sagte er mit einem Kichern. Er sagt, dass die Demonstration eines tief-ultravioletten Lasers die Tür zur Herstellung von Diodenlasern über einen breiten Bereich von 220 bis 365 nm öffnet.

 

Kommerzielle LEDs aus der gleichen Verbindung, Aluminium-Gallium-Nitrid, können Wellenlängen von nur 210 nm emittieren. Ihr Licht breitet sich jedoch schnell aus und hinterlässt nach einigen zehn Zentimetern nur noch wenig Energie, was ihre Anwendungen einschränkt. Laserdioden bündeln ihren Strahl über eine längere Distanz und liefern eine höhere Leistung an kleine Punkte, und ihr Licht wird in einem Band von weniger als 1 nm konzentriert, verglichen mit mehr als 10 nm bei LEDs. „Diese Eigenschaften von Laserdioden sollten einige medizinische Anwendungen ermöglichen“, sagt Zhang.

 

Diodenlaser sind viel schwieriger herzustellen als LEDs, da sie höhere Stromdichten durch die Schicht leiten müssen, in der sich Stromträger verbinden, um Licht zu emittieren. Dies ist ein besonderes Problem für die Nitridverbindungen, die im blauen, violetten und ultravioletten Bereich emittieren, da sie anfällig für kristalline Defekte sind, die bei hohen Stromdichten Ausfälle verursachen können. Solche Materialprobleme hatten den Fortschritt bei blauen LEDs und Diodenlasern zum Stillstand gebracht, bis Amano und Isamu Akasaki von der Nagoya University und Shuji Nakamura, damals bei der Nichia Corporation, neue Wege zur Verarbeitung der für die blaue Emission benötigten Mischung aus Gallium, Indium und Stickstoff entwickelten 1990er. Sie waren zunächst mit LEDs und später mit Diodenlasern bei der 405-nm-Wellenlänge erfolgreich, die zum Speichern von hochauflösendem Digitalvideo auf Blu-Ray-Discs erforderlich ist.

 

Dioden aus Gallium, Indium und Stickstoff emittieren blaues Licht, wobei die Wellenlänge mit abnehmendem Indiumgehalt abnimmt und bei reinem GaN etwa 370 nm erreicht. Aluminium muss hinzugefügt werden, um etwas Gallium zu ersetzen, um kürzere Wellenlängen zu erreichen, aber das Hinzufügen von Aluminium macht die Verbindung auch anfälliger für Defekte. Für LEDs, die 2006 210 Nanometer im tiefen Ultraviolett erreichten, ist das kein großes Problem. Die hohe Stromdichte in Diodenlasern bremste jedoch ihre Entwicklung im Ultravioletten. Die kürzesten Wellenlängen in kommerziellen Dioden bleiben 375 nm, und kurzlebige Laborversionen blieben jahrelang bei 320 nm stehen. 

 

Im Jahr 2018 konnte ein Team aus dem Bundesstaat North Carolina und Adroit Materials (Cary, NC) unter der Leitung von Ronny Kirste, dem Chief Operating Office von Adroit, die Defektniveaus in AlGaN reduzieren, das mehr Aluminium als Gallium enthält, um Laserlicht bei 265 nm im tiefen Ultraviolett zu erzeugen. Ihre Halbleiterlaser wurden jedoch mit 193-nm-Licht aus einem großen gepulsten Gaslaser betrieben, eine Technik, die in der Forschung nützlich, aber für Anwendungen nicht praktikabel ist. Der heilige Gral für praktische Laser im tiefen Ultraviolett besteht darin, sie direkt mit elektrischem Strom zu versorgen, der durch den Halbleiter fließt.

 

Ein Team von Asahi Kasei Corporate Research & Development in Fuji, Nagoya, und Crystal IS in Green Island, NY, demonstrierte den neuen elektrisch betriebenen Diodenlaser, der bei 271,8 nm emittiert. Die Schlüssel zu ihrem Erfolg, sagt Zhang, waren das Design der Laserdiodenstruktur, ihre Technik zum Dotieren des Halbleiters und das epitaxiale Wachstum auf einem Substrat aus einkristallinem AlN, das den Schwellenstrom und die Betriebsspannung reduzierte. Schichten in der Struktur enthielten bis zu doppelt so viel Aluminium wie Gallium.

 

Illustration des Diodensandwiches

Abbildung: Asahi-Kasei Corp.

Struktur eines 271,8-nm-Diodenlasers von Asahi-Kasei Corp. 

 

Ihr Laser erzeugte 50-Nanosekunden-Pulse mit einer Rate von 2000 Hz, aber die meisten Anwendungen werden voraussichtlich einen kontinuierlichen Laserstrahl erfordern. Zhang sagt, dass weitere Reduzierungen des Schwellenstroms und der Betriebsspannung einen Dauerstrichbetrieb ermöglichen sollten. Asahi Kasei plant, weiterhin mit den Nagoya zusammenzuarbeiten, um ihr Verständnis des Materialsystems zu verbessern und kommerzielle Versionen zu entwickeln.

 

Adroit Materials hatte bereits an AlGaN gearbeitet und arbeitet nun daran, die Ergebnisse von Asahi Kasei zu duplizieren. "Wir wollen diese Gaslaser ersetzen", die lange Zeit die einzigen Laserquellen waren, die für die meisten Anwendungen im kurzwelligen Ultraviolett praktikabel waren, sagt Kirste. "Dafür ist der Markt riesig." Ein Großteil dieses Marktes ist biologisch, da DNA bei 260 nm stark absorbiert. Neben der Erkennung von biologischem Material, einschließlich potenzieller Krankheitserreger, können helle Quellen im tiefen Ultraviolett DNA aufbrechen und Krankheitserreger abtöten. UV-LEDs, die in diesem Bereich emittieren, können bereits kleine Wassermengen sterilisieren, wie sie beispielsweise von Soldaten im Feld benötigt werden, wo Wasservorräte verdächtig sind. Kompakte Laserquellen könnten größere Volumina schneller sterilisieren.