Nichia Corporation ir Kioto universitetas Japonijoje praneša apie fotoninių kristalų paviršių spinduliuojančių lazerių (PCSEL) galimybių išplėtimą iki žalios matomo spektro juostos [Natsuo Taguchi ir kt., Appl. Fizik. Express, v17, p012002, 2024].
Tyrėjai apibūdina žaliųjų PCSEL kūrimą kaip „primityvų“, palyginti su mėlynais PCSEL arba žalios spalvos kraštą spinduliuojančiais lazeriniais diodais ir vertikalios ertmės paviršių spinduliuojančiais lazeriniais diodais. Tačiau komanda tikisi, kad šie įrenginiai bus patrauklūs tokioms programoms kaip medžiagų apdorojimas, didelio ryškumo apšvietimas ir ekranai.
Fotoniniai kristalai (PC) naudoja dvimatę gardelės struktūrą iš medžiagų, turinčių skirtingus lūžio rodiklius, kad galėtų kontroliuoti optinį elgesį. Tyrėjai ypač tikisi, kad PCSEL naudos šį valdiklį, kad būtų lengviau pasiekti vieno režimo veikimą esant didesnei išvesties galiai ir taip pagerinti spindulio kokybę.
Tyrėjai komentavo: „Išnaudodamas fotoninių kristalų singuliarumus (pvz., Γ), PCSEL pasiekia vertikalius ir šoninius vienmodius virpesius, taip pat mažos divergencijos spinduliuotės pluoštus, kurių kampai yra mažesni nei 0,2 laipsnio. PCSEL taip pat paskirsto optinę galią didesniame rezonatoriaus tūryje, taip išvengiant katastrofiškų optinių pažeidimų (COD), kuriuos sukelia intensyvus optinis tankis.
Fotoniniai kristalai susidarė PCSEL epitaksinės medžiagos p-GaN kontaktiniame sluoksnyje, naudojant užpildą silicio dioksidą (SiO2), o ne orą, kas buvo dažniau ankstesniuose tyrimuose (1 pav.). Aktyvaus sluoksnio auginimas ir fotoninio kristalo sukūrimas leidžia reguliuoti fotoninio kristalo gardelės konstantą (a) pagal išmatuotą aktyvaus epitaksinės struktūros sluoksnio stiprinimo bangos ilgį.
1 pav. GaN pagrindu pagaminto PCSEL su žalios bangos ilgiu struktūra: a) nupjautos lusto skerspjūvis; b) (viršuje) Skenuojamojo elektroninio mikroskopo (SEM) vaizdas p-GaN paviršiuje nuėmus ITO elektrodus; (apačioje) Dviejų gardelių fotoninių kristalų projektavimo schema.
Grotelių užpildymas SiO2 neleidžia nuotėkio srovei praeiti pro laidžias daleles, esančias gardelės skylių šonuose, todėl srovė valdoma stabiliau ir sumažėja parazitinių nuotėkio srovių. SiO2 taip pat pagerina efektyvų fotoninio kristalo sluoksnio lūžio rodiklį, dėl kurio kreipiamasis režimas judėti link fotoninio kristalo ir sustiprinti ryšį su optiniu lauku.
Vienas SiO2 naudojimo trūkumas yra tas, kad jis sumažina lūžio rodiklio kontrastą tarp fotoninio kristalo ir GaN, todėl sunkiau valdyti šviesos bangas fotoninio kristalo plokštumoje. Norėdami tai kompensuoti, tyrėjai padidino gardelės skylių skersmenį ir panaudojo dvigubos gardelės struktūrą, kai vienetinę ląstelę sudaro dvi grotelės skylės, kurios x ir y kryptimis yra pasislinkusios 0.4a. Tyrėjai teigė, kad tai buvo padaryta siekiant „užtikti pakankamą uždarymą plokštumoje ir sujungimą, net jei p-GaN ir SiO2, užpildančio fotoninį kristalą, lūžio rodiklio kontrastas yra mažas“.
Fotoninių kristalų formavimo procesas apima indžio alavo oksido (ITO) skaidraus laidininko nusodinimą ant III grupės nitrido epitaksinės medžiagos, tada fotoninio kristalo gardelės skylių išgręžimas naudojant induktyviai susietą plazmos reaktyviųjų jonų ėsdinimą (ICP-RIE) ir tada jas užpildomas. su SiO2 naudojant plazminį cheminį nusodinimą garais (CVD). ITO medžiaga buvo pašalinta iš struktūros, paliekant 300- µm skersmens apskrito centro sritį kaip p-elektrodą ir p-GaN kristalą kaip p-elektrodą. apskrito centro sritis, tarnaujanti kaip kanalas tarp p-elektrodo ir p-GaN.
Tyrėjai praneša, kad, remiantis skenuojamosios elektroninės mikroskopijos vaizdais, SiO2-pildytų stulpų centre fotoniniame kristale yra nedidelė oro skylė. Komanda komentavo: „Oro skylės forma fotoninėje kristalų plokštumoje yra vienoda, todėl manoma, kad oro angos buvimas neturi didelės įtakos PCSEL veikimui.
Prieš užbaigiant įrenginio gamybos procesą, n-GaN sluoksnis turi būti išgraviruotas lentelės pavidalu, o po to SiO2 nusodinamas, kad uždengtų stalą (išskyrus centrinę ITO sritį); p-elektrodai ir n-elektrodai nusodinami atitinkamai ant viršutinio ir apatinio paviršių; o apatinė apskrito lazerio išvesties sritis yra padengta antirefleksine (AR) danga. Tada prietaisai buvo supjaustyti ir apversti ant papildomo laikiklio, kad būtų galima išmatuoti našumą.
Prietaisas, kurio fotoninės kristalinės gardelės konstanta yra 210 nm, pasiekė maksimalią apie 50 mW išėjimo galią esant 5 A įpurškimo srovei ir generavo 500 ns impulsai 1 kHz pasikartojimo dažniu. Jo elektrooptinės konversijos efektyvumas (WPE) buvo 0,1%. Lazavimo slenkstis buvo pasiektas esant 3,89 kA/cm2 srovės tankiui. Šlaito efektyvumas buvo 0,02 W/A. Išvesties lazeris buvo tiesiškai poliarizuotas, kai poliarizacijos santykis buvo 0, 8. Apvalaus tolimojo lauko modelio (FFP) nukrypimo kampas buvo 0, 2 laipsnio. Lazerio bangos ilgis buvo 505,7 nm.
Lazerio bangos ilgį galima tam tikru mastu sureguliuoti, kai fotoninės kristalinės gardelės parametras a kinta nuo 210 nm iki 217 nm (2 pav.). Maksimalus 217 nm prietaiso emisijos bangos ilgis yra 520,5 nm. aktyvaus sluoksnio stiprinimo smailė yra apie 505 nm, todėl sunkiau pagaminti lazerio šviesą esant ilgesniems bangų ilgiams, todėl didėjant fotoninės kristalinės gardelės konstantai, didėja slenkstis.
Tyrėjai taip pat praneša, kad kai kurie įrenginiai, turintys dideles fotoninių kristalų gardelės konstantas, skleidžia plokščiajuostį lazeravimą su linijiniais tolimojo lauko modeliais. Komanda tokį plokščiajuostį lazeravimą priskiria fotoninių kristalų struktūros svyravimams ir santykinai mažam fotoninio kristalo sujungimo koeficientui.
Tyrėjai komentavo: "Elektrooptinės konversijos efektyvumą galima pagerinti optimizuojant fotoninių kristalų sluoksnį ir epitaksinį kristalų sluoksnį. Fotoniniams kristalams optimizuojant geometriją tikimasi stipresnio plokštumos sujungimo ir vertikalios spinduliuotės. Epitaksinis kristalų sluoksnis turėtų būti būti suprojektuoti taip, kad maksimaliai padidintų pagrindinių kreipiamųjų režimų stiprumą fotoninių kristalų srityje, kartu atsižvelgiant į švirkštų nešiklių neliuminescencinį praradimą.
Neatidėliotinas poreikis būsimiems tyrimams yra nepertraukiamų bangų veikimo realizavimas.
