Los láseres de diodo saltan al ultravioleta profundo

Después de años de retrasos, un láser de diodo semiconductor finalmente ha operado en el ultravioleta profundo, señalando el camino hacia los biosensores y la esterilización.

Por Jeff Hecht

LED UV fabricado sobre sustrato HexaTech AlN bajo prueba eléctrica en Ambient. 

Imagen: Materiales hábiles

Muchos LED UV fabricados por Adroit Materials en oblea AlN de HexaTech.

 

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El primer láser semiconductor alimentado eléctricamente que emite en el ultravioleta profundo marca un gran paso hacia un nuevo campo, dice Ramón Collazo, profesor de ciencia de los materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte que colabora con Adroit Materials en Cary, NC.

 

Los investigadores habían pensado que "había una pared dura" que impedía que los láseres de diodo emitieran luz ultravioleta de menos de 315 nm, incluso en los láseres de laboratorio, dice Collazo. Ahora, un equipo que incluye a Hiroshi Amano de la Universidad de Nagoya, quien compartió el Premio Nobel de Física de 2014 por inventar diodos emisores de luz azul eficientes, ha logrado otro avance al demostrar un láser de diodo de 271,8 nm, más de 40 nm más profundo en el ultravioleta.

 

“Se espera que la biodetección y la esterilización sean las primeras aplicaciones clave” de los láseres de diodo ultravioleta profundo, dice Ziyi Zhang del Centro de Investigación Corporativo Asahi Kasei en Fuji, autor principal de un artículo en el que Amano es coautor. Los biosensores basados ​​en láseres de diodo “podrían ser mucho más pequeños, más baratos y más fácilmente reemplazables” que los voluminosos láseres de gas, que ahora son el único tipo disponible en longitudes de onda inferiores a 300 nm, dice Zhang.

El Pentágono de EE. UU. había hecho una inversión significativa en el desarrollo de láseres de ultravioleta profundo para la detección biológica, dice Collazo, pero "después de tres programas DARPA, los japoneses lo entendieron", dijo con una sonrisa. Él dice que la demostración de un láser ultravioleta profundo abre la puerta a la fabricación de láseres de diodo en un amplio rango de 220 a 365 nm.

 

Los LED comerciales fabricados con el mismo compuesto, nitruro de aluminio y galio, pueden emitir longitudes de onda tan cortas como 210 nm. Sin embargo, su luz se propaga rápidamente, dejando poca energía después de decenas de centímetros, lo que limita sus aplicaciones. Los diodos láser concentran su haz en una distancia más larga, brindando mayor potencia a los puntos pequeños, y su luz se concentra en una banda de menos de 1 nm, en comparación con los más de 10 nm de los LED. "Estas características de los diodos láser deberían permitir algunas aplicaciones médicas", dice Zhang.

 

Los láseres de diodo son mucho más difíciles de fabricar que los LED porque requieren pasar densidades de corriente más altas a través de la capa donde los portadores de corriente se combinan para emitir luz. Este es un problema particular para los compuestos de nitruro que emiten en el azul, violeta y ultravioleta porque son propensos a defectos cristalinos que pueden causar fallas a altas densidades de corriente. Tales problemas materiales habían estancado el progreso en los LED azules y los láseres de diodo hasta que Amano e Isamu Akasaki en la Universidad de Nagoya y Shuji Nakamura, entonces en Nichia Corporation, desarrollaron nuevas formas de procesar la mezcla de galio, indio y nitrógeno necesaria para la emisión azul a principios del 1990 Tuvieron éxito primero con los LED y luego con los láseres de diodo en la longitud de onda de 405 nm necesaria para almacenar video digital de alta definición en discos Blu-Ray.

 

Los diodos hechos de galio, indio y nitrógeno emiten luz azul, con una longitud de onda que disminuye a medida que disminuye el contenido de indio, alcanzando alrededor de 370 nm de GaN puro. Se debe agregar aluminio para reemplazar algo de galio para alcanzar longitudes de onda más cortas, pero agregar aluminio también hace que el compuesto sea más vulnerable a los defectos. Ese no es un problema grave para los LED, que alcanzaron los 210 nanómetros en el ultravioleta profundo en 2006. Sin embargo, la alta densidad de corriente en los láseres de diodo detuvo su desarrollo en el ultravioleta. Las longitudes de onda más cortas en los diodos comerciales siguen siendo de 375 nm, y las versiones de laboratorio de corta duración permanecieron estancadas en torno a los 320 nm durante años. 

 

En 2018, un equipo del estado de Carolina del Norte y Adroit Materials (Cary, NC) dirigido por el director de operaciones de Adroit, Ronny Kirste, pudo reducir los niveles de defectos en AlGaN que contenía más aluminio que galio para producir luz láser a 265 nm en el ultravioleta profundo. Sin embargo, sus láseres semiconductores estaban alimentados por luz de 193 nm de un gran láser de gas pulsado, una técnica útil en la investigación, pero no práctica para las aplicaciones. El santo grial de los láseres ultravioleta profundo prácticos es alimentarlos directamente con corriente eléctrica que pasa a través del semiconductor.

 

Un equipo de Asahi Kasei Corporate Research & Development en Fuji, Nagoya y Crystal IS en Green Island, Nueva York, demostró el nuevo láser de diodo alimentado eléctricamente que emite a 271,8 nm. Las claves de su éxito, dice Zhang, fueron el diseño de la estructura del diodo láser, su técnica para dopar el semiconductor y el crecimiento epitaxial en un sustrato de AlN monocristalino, que redujo el umbral de corriente y el voltaje operativo. Las capas de la estructura contenían hasta el doble de aluminio que de galio.

 

Ilustración de sándwich de diodo

Ilustración: Asahi-Kasei Corp.

Estructura del láser de diodo de 271,8 nm de Asahi-Kasei Corp. 

 

Su láser generó pulsos de 50 nanosegundos a una frecuencia de 2000 Hz, pero se espera que la mayoría de las aplicaciones requieran un rayo láser continuo. Zhang dice que las reducciones adicionales en el umbral de corriente y el voltaje operativo deberían permitir la operación de onda continua. Asahi Kasei planea continuar trabajando en equipo con Nagoya para mejorar su comprensión del sistema de materiales y desarrollar versiones comerciales.

 

Adroit Materials ya había trabajado en AlGaN y ahora está trabajando para duplicar los resultados de Asahi Kasei. "Queremos reemplazar esos láseres de gas" que durante mucho tiempo han sido las únicas fuentes de láser prácticas para la mayoría de las aplicaciones ultravioleta de longitud de onda corta, dice Kirste. "El mercado es enorme para eso". Gran parte de ese mercado es biológico porque el ADN absorbe fuertemente a 260 nm. Además de detectar material biológico, incluido el patógeno potencial, las fuentes brillantes de luz ultravioleta profunda pueden romper el ADN y matar a los patógenos. Los LED UV que emiten en ese rango ya pueden esterilizar pequeños volúmenes de agua, como los que necesitan los soldados en el campo donde los suministros de agua son sospechosos. Las fuentes láser compactas podrían esterilizar volúmenes más grandes más rápido.