Ultraviolet nanowire/graphene laser (UV-Nanolaser)

Ultrafiolett (UV) lys er avgjørende i mange områder av moderne liv, fra desinfisering av vann og luft til avansert kommunikasjon, sensorteknologi og kjemiske prosesser. Likevel er kompakte og effektive UV-lasere som trengs for disse bruksområdene fortsatt begrensede. Dagens kommersielle UV-lasere er enten store, kostbare eller lite effektive, noe som hindrer bredere bruk. Halvleder-nanomaterialer, spesielt aluminium-galliumnitrid (AlGaN) nanotråder, åpner for nye muligheter. Disse bittesmå strukturene kan sende ut lys dypt i UV-området med høyere effektivitet og pålitelighet enn tradisjonelle materialer. Ved å arrangere nanotrådene i spesielle mønstre, kjent som fotoniske krystaller, kan lyset styres og sendes ut mer presist, noe som gjør dem svært lovende for kompakte UV-laser-kilder. I dette prosjektet kombinerer vi AlGaN-nanotrådbaserte lyskilder med optiske resonatorer basert på fotoniske krystallstrukturer for å utvikle elektrisk injiserte halvlederlasere som opererer i UV-spekteret. I tillegg til eksperimentelt arbeid utvikler vi nye designmetoder for å optimalisere slike nanotrådbaserte fotoniske krystall-lasere. Vår tilnærming kombinerer raske datasimuleringer med avansert 3D-modellering for å identifisere de beste strukturene for å maksimere lyseffektivitet og uteffekt. Dette arbeidet tar oss et skritt nærmere praktiske UV-halvlederlasere – enheter som kan revolusjonere områder som desinfeksjon, miljøovervåking, helsevesen og sikker kommunikasjon.

In UV-Nanolaser, we bring together the platforms of AlGaN semiconductor nanowire (NW)-based light emitters, the exciting new material graphene, utilised as both transparent contact electrode (TCE) material and epitaxial growth substrate, and optical cavities based on high-reflective Distributed Bragg Reflectors (DBR) in order to develop the world’s first electrically injected semiconductor laser operating in the ultraviolet (UV)-C spectral range, that is, with emission wavelength below 280 nm at a threshold current density below 10 kA/cm^2. By utilising some of graphene’s critical advantages such as easy transferability due to the weak van der Waals binding to other substrates, its excellent heat and electricity conduction properties and high transparency in the UV-C spectral band, we have developed strategies to resolve several issues that have long hampered research on coherent light emitters in the deep UV. NWs grown by molecular beam epitaxy (MBE) on graphene are nearly dislocation-free, thus eliminating one of the major reasons for the low internal quantum efficiency of planar Al-rich AlGaN. Furthermore, by graphene transfer and hole-mask patterning these NWs can be combined with amorphous substrates, such as e.g. oxide-based DBRs, which are the ultimate solution for an end-cavity reflector, but generally unsuitable for AlGaN epitaxial growth, and fabricated in a precisely ordered 2D array, enabling the creation of a photonic crystal effect for suppressing in-plane light leakage. Coupling such novel ideas with the project group’s vast experience and expertise on III-V NW growth on graphene and device processing, which has already resulted in the successful demonstration of optically pumped NW-based lasers in the near infrared and GaN/AlGaN UV-A LEDs, we expect to unlock numerous high-impact applications for coherent UV-C light sources in socially significant areas such as material science, biological and chemical sensing, medicine and water purification.