Nichia Corporation dan Universiti Kyoto di Jepun melaporkan memperluaskan keupayaan laser pemancar permukaan kristal fotonik (PCSEL) kepada jalur hijau spektrum yang boleh dilihat [Natsuo Taguchi et al, Appl. Fizik. Express, v17, p012002, 2024].
Para penyelidik menggambarkan pembangunan PCSEL hijau sebagai "primitif" berbanding dengan PCSEL biru atau diod laser pemancar tepi hijau dan diod laser pemancar permukaan rongga menegak. Walau bagaimanapun, pasukan berharap peranti ini akan menarik untuk aplikasi seperti pemprosesan bahan, pencahayaan kecerahan tinggi dan paparan.
Kristal fotonik (PC) menggunakan struktur kekisi dua dimensi bahan dengan indeks biasan yang berbeza untuk mengawal tingkah laku optik. Para penyelidik mempunyai jangkaan tertentu untuk PCSEL menggunakan kawalan ini untuk memudahkan mencapai tingkah laku mod tunggal pada kuasa output yang lebih tinggi, dengan itu meningkatkan kualiti pancaran.
Para penyelidik mengulas, "Dengan mengeksploitasi singulariti (cth, Γ) kristal fotonik, PCSEL mencapai ayunan mod tunggal menegak dan sisi serta pancaran sinaran pencapahan rendah dengan sudut kurang daripada 0.2 darjah ." PCSEL juga menyebarkan kuasa optik pada volum resonator yang lebih besar, dengan itu mengelakkan kerosakan optik bencana (COD) yang disebabkan oleh ketumpatan optik yang sengit.
Kristal fotonik terbentuk dalam lapisan sentuhan p-GaN bahan epitaxial PCSEL menggunakan bahan pengisi silikon dioksida (SiO2) dan bukannya udara, yang lebih biasa dalam kajian terdahulu (Rajah 1). Menumbuhkan lapisan aktif dan kemudian mencipta hablur fotonik membolehkan pemalar kekisi (a) hablur fotonik dilaraskan mengikut panjang gelombang perolehan yang diukur bagi lapisan aktif struktur epitaxial.
Rajah 1: Struktur PCSEL berasaskan GaN dengan panjang gelombang hijau: (a) Keratan rentas cip potong; (b) (atas) Mengimbas imej mikroskop elektron (SEM) bagi hablur fotonik pada permukaan p-GaN selepas penyingkiran elektrod ITO; (bawah) Skim reka bentuk kristal fotonik dwi-kekisi.
Mengisi kekisi dengan SiO2 menghalang arus bocor daripada melalui zarah konduktif pada dinding sisi lubang kekisi, membawa kepada kawalan arus yang lebih stabil dan mengurangkan arus bocor parasit.SiO2 juga meningkatkan indeks biasan berkesan lapisan kristal fotonik, yang menyebabkan mod panduan untuk bergerak ke arah hablur fotonik dan meningkatkan gandingan kepada medan optik.
Satu kelemahan menggunakan SiO2 ialah ia mengurangkan kontras indeks biasan antara kristal fotonik dan GaN, menjadikannya lebih sukar untuk mengawal gelombang cahaya dalam satah kristal fotonik. Untuk mengimbangi ini, penyelidik meningkatkan diameter lubang kekisi dan menggunakan struktur dwi-kekisi, di mana sel unit terdiri daripada dua lubang kekisi yang diimbangi oleh 0.4a dalam arah x dan y. Ini dilakukan, kata para penyelidik, untuk "mendapatkan kurungan dan gandingan dalam satah yang mencukupi walaupun jika kontras indeks biasan antara p-GaN dan SiO2 yang mengisi kristal fotonik adalah rendah."
Proses pembentukan kristal fotonik melibatkan penyimpanan konduktor lutsinar indium timah oksida (ITO) pada bahan epitaxial nitrida kumpulan III, kemudian menggerudi lubang kekisi kristal fotonik dengan etsa ion reaktif plasma (ICP-RIE) yang digabungkan secara induktif, dan kemudian mengisinya. dengan SiO2 menggunakan pemendapan wap kimia plasma (CVD). bahan ITO telah dikeluarkan daripada struktur, meninggalkan kawasan tengah bulatan berdiameter 300-µm sebagai elektrod-p dan hablur p-GaN sebagai elektrod-p. kawasan tengah bulat berfungsi sebagai saluran antara p-elektrod dan p-GaN.
Penyelidik melaporkan bahawa pusat tiang yang dipenuhi SiO2-dalam hablur fotonik mengandungi lubang udara kecil, menurut pengimejan mikroskop elektron pengimbasan. Pasukan itu mengulas, "Bentuk lubang udara adalah seragam dalam satah kristal fotonik, dan oleh itu dipercayai bahawa kehadiran lubang udara tidak menjejaskan prestasi PCSEL dengan ketara."
Sebelum melengkapkan proses fabrikasi peranti, lapisan n-GaN perlu terukir jadual dan kemudian SiO2 didepositkan untuk menutup meja (kecuali kawasan ITO pusat); p-elektrod dan n-elektrod diendapkan pada permukaan atas dan bawah, masing-masing; dan salutan anti-reflektif (AR) digunakan pada kawasan keluaran laser bulat bawah. Peranti kemudian dipotong dan dibalikkan ke sub-lekap untuk pengukuran prestasi.
Peranti dengan pemalar kekisi kristal fotonik 210 nm mencapai kuasa output maksimum kira-kira 50 mW pada arus suntikan 5 A menjana 500 ns denyutan pada frekuensi pengulangan 1 kHz. Kecekapan penukaran elektro-optik (WPE) adalah 0.1%. Ambang pengelasan dicapai pada ketumpatan arus 3.89 kA/cm2. Kecekapan cerun ialah 0.02 W/A. Laser keluaran dipolarisasi secara linear dengan nisbah polarisasi 0.8. Sudut perbezaan bagi corak medan jauh bulat (FFP) ialah 0.2 darjah . Panjang gelombang laser ialah 505.7 nm.
Panjang gelombang laser boleh ditala sedikit sebanyak apabila parameter kekisi kristal fotonik a diubah antara 210 nm dan 217 nm (Rajah 2). Panjang gelombang pancaran maksimum peranti 217 nm ialah 520.5 nm. puncak keuntungan lapisan aktif adalah kira-kira 505 nm, jadi lebih sukar untuk menghasilkan cahaya laser pada panjang gelombang yang lebih panjang, yang membawa kepada peningkatan dalam ambang dengan peningkatan pemalar kekisi kristal fotonik.
Para penyelidik juga melaporkan bahawa sesetengah peranti dengan pemalar kekisi kristal fotonik tinggi mengeluarkan pengikat jalur rata dengan corak medan jauh linear. Pasukan mengaitkan pengikat jalur rata sedemikian kepada turun naik dalam struktur kristal fotonik dan kepada pekali gandingan yang agak rendah bagi kristal fotonik.
Para penyelidik mengulas, "Kecekapan penukaran elektro-optik boleh dipertingkatkan dengan mengoptimumkan lapisan kristal fotonik dan lapisan kristal epitaxial. Untuk kristal fotonik, gandingan dalam satah yang lebih kuat dan sinaran menegak dijangka dengan mengoptimumkan geometri. Lapisan kristal epitaxial harus direka bentuk untuk memaksimumkan kekuatan mod panduan asas dalam kawasan kristal fotonik, di samping mengambil kira kehilangan bukan bercahaya pembawa yang disuntik."
Keperluan mendesak untuk penyelidikan masa depan ialah merealisasikan operasi gelombang berterusan.
