Nichia Corporation og Kyoto University i Japan rapporterer at de utvider egenskapene til fotoniske krystalloverflate-emitterende lasere (PCSEL) til det grønne båndet i det synlige spekteret [Natsuo Taguchi et al., Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Forskerne beskriver utviklingen av grønne PCSEL-er som "primitive" sammenlignet med blå PCSEL-er eller grønne kant-emitterende laserdioder og vertikal-hulrom overflate-emitterende laserdioder. Teamet håper imidlertid at disse enhetene vil være attraktive for applikasjoner som materialbehandling, belysning med høy lysstyrke og skjermer.
Fotoniske krystaller (PC-er) bruker en todimensjonal gitterstruktur av materialer med forskjellige brytningsindekser for å kontrollere optisk oppførsel. Forskerne har en spesiell forventning om at PCSEL-er skal bruke denne kontrollen for å gjøre det lettere å oppnå enkeltmodus-adferd ved høyere utgangseffekter, og dermed forbedre strålekvaliteten.
Forskerne kommenterte, "Ved å utnytte singularitetene (f.eks. Γ) til fotoniske krystaller, oppnår PCSEL vertikale og laterale enkeltmodussvingninger så vel som strålingsstråler med lav divergens med vinkler mindre enn 0.2 grader." PCSEL sprer også den optiske kraften over et større resonatorvolum, og unngår dermed katastrofal optisk skade (COD) forårsaket av intens optisk tetthet.
Fotoniske krystaller ble dannet i p-GaN-kontaktlaget til PCSEL-epitaksialmaterialet ved å bruke et fyllmateriale av silisiumdioksid (SiO2) i stedet for luft, som var mer vanlig i tidligere studier (fig. 1). Å vokse det aktive laget og deretter lage den fotoniske krystallen gjør at gitterkonstanten (a) til den fotoniske krystallen kan justeres i henhold til den målte forsterkningsbølgelengden til det aktive laget av den epitaksiale strukturen.
Figur 1: Struktur av GaN-basert PCSEL med grønn bølgelengde: (a) Tverrsnitt av den kuttede brikken; (b) (øverst) Skanneelektronmikroskop (SEM) bilde av den fotoniske krystallen på p-GaN-overflaten etter fjerning av ITO-elektrodene; (nederst) Dual-gitter fotonisk krystall designskjema.
Fylling av gitteret med SiO2 forhindrer lekkasjestrøm i å passere gjennom de ledende partiklene på sideveggene til gitterhullene, noe som fører til mer stabil strømkontroll og reduserte parasittiske lekkasjestrømmer.SiO2 forbedrer også den effektive brytningsindeksen til det fotoniske krystalllaget, noe som forårsaker veiledningsmodus for å bevege seg mot den fotoniske krystallen og forbedrer koblingen til det optiske feltet.
En ulempe med å bruke SiO2 er at den reduserer brytningsindekskontrasten mellom den fotoniske krystallen og GaN, noe som gjør det vanskeligere å kontrollere lysbølger i det fotoniske krystallplanet. For å kompensere for dette økte forskerne diameteren på gitterhullene og brukte en dobbelgitterstruktur, der en enhetscelle består av to gitterhull forskjøvet med 0.4a i x- og y-retningene. Dette ble gjort, sa forskerne, for å "oppnå tilstrekkelig innesperring og kobling i planet selv om brytningsindekskontrasten mellom p-GaN og SiO2 som fyller den fotoniske krystallen er lav."
Den fotoniske krystalldannelsesprosessen involverer avsetning av en indium tin oxide (ITO) transparent leder på et gruppe III nitrid epitaksialt materiale, for deretter å bore gitterhullene til den fotoniske krystallen med induktivt koblet plasma reaktiv ionetsing (ICP-RIE), og deretter fylle dem. med SiO2 ved bruk av plasmakjemisk dampavsetning (CVD). ITO-materialet har blitt fjernet fra strukturen, og etterlot et sirkulært senterområde med 300-µm diameter som p-elektroden og p-GaN-krystallet som p-elektroden. sirkulært senterområde som tjener som en kanal mellom p-elektroden og p-GaN.
Forskerne rapporterer at midten av de SiO2-fylte søylene i den fotoniske krystallen inneholder et lite lufthull, ifølge skanningselektronmikroskopi. Teamet kommenterte, "Formen på lufthullet er ensartet i det fotoniske krystallplanet, og derfor antas det at tilstedeværelsen av lufthullet ikke påvirker ytelsen til PCSEL betydelig."
Før produksjonsprosessen til enheten fullføres, må n-GaN-laget bordetses og SiO2 avsettes deretter for å dekke bordet (bortsett fra det sentrale ITO-området); p-elektroder og n-elektroder er avsatt på henholdsvis topp- og bunnflaten; og et anti-reflekterende (AR) belegg påføres det nederste sirkulære laserutgangsområdet. Enhetene ble deretter kuttet og snudd på et underfeste for ytelsesmålinger.
Enheten med en fotonisk krystallgitterkonstant på 210 nm oppnådde en maksimal utgangseffekt på ca. 50 mW ved en injeksjonsstrøm på 5 A og genererte 500 ns pulser med en repetisjonsfrekvens på 1 kHz. Dens elektro-optiske konverteringseffektivitet (WPE) var 0,1 %. Laseringsterskelen ble nådd ved en strømtetthet på 3,89 kA/cm2. Skråningseffektiviteten var 0,02 W/A. Utgangslaseren ble lineært polarisert med et polarisasjonsforhold på 0,8. Divergensvinkelen til det sirkulære fjernfeltmønsteret (FFP) var 0,2 grader. Laserbølgelengden var 505,7 nm.
Laserbølgelengden kan justeres til en viss grad når den fotoniske krystallgitterparameteren a varieres mellom 210 nm og 217 nm (fig. 2). Den maksimale emisjonsbølgelengden til 217 nm-enheten er 520,5 nm. forsterkningstoppen til det aktive laget er omtrent 505 nm, så det er vanskeligere å produsere laserlys ved lengre bølgelengder, noe som fører til en økning i terskelen med økningen i den fotoniske krystallgitterkonstanten.
Forskerne rapporterer også at noen enheter med høye fotoniske krystallgitterkonstanter sender ut flatbåndslasing med lineære fjernfeltsmønstre. Teamet tilskriver slik flatbåndslasing til fluktuasjoner i den fotoniske krystallstrukturen og til den relativt lave koblingskoeffisienten til den fotoniske krystallen.
Forskerne kommenterte, "Den elektro-optiske konverteringseffektiviteten kan forbedres ved å optimalisere det fotoniske krystalllaget og det epitaksiale krystalllaget. For fotoniske krystaller forventes sterkere kobling i planet og vertikal stråling ved å optimalisere geometrien. Det epitaksiale krystalllaget bør være designet for å maksimere styrken til de grunnleggende styringsmodusene i det fotoniske krystallområdet, samtidig som det tas hensyn til det ikke-luminescerende tapet av injiserte bærere."
Et presserende behov for fremtidig forskning er realisering av kontinuerlig bølgedrift.
