Nichia Corporation och Kyoto University i Japan rapporterar att de utökar kapaciteten hos fotoniska kristallytemitterande lasrar (PCSEL) till det gröna bandet i det synliga spektrumet [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Forskarna beskriver utvecklingen av gröna PCSELs som "primitiva" jämfört med blå PCSELs eller gröna kant-emitterande laserdioder och vertikalkavitets ytemitterande laserdioder. Teamet hoppas dock att dessa enheter kommer att vara attraktiva för applikationer som materialbearbetning, belysning med hög ljusstyrka och skärmar.
Fotoniska kristaller (PC) använder en tvådimensionell gitterstruktur av material med olika brytningsindex för att kontrollera optiskt beteende. Forskarna har särskilda förväntningar på att PCSEL:er ska använda denna kontroll för att göra det lättare att uppnå singelmodsbeteende vid högre uteffekter, och därigenom förbättra strålkvaliteten.
Forskarna kommenterade: "Genom att utnyttja singulariteterna (t.ex. Γ) hos fotoniska kristaller, uppnår PCSEL vertikala och laterala enkelmodssvängningar såväl som strålar med låg divergensstrålning med vinklar mindre än 0.2 grader." PCSEL sprider också den optiska kraften över en större resonatorvolym och undviker på så sätt katastrofal optisk skada (COD) orsakad av intensiv optisk densitet.
Fotoniska kristaller bildades i p-GaN-kontaktskiktet av PCSEL-epitaxialmaterialet med användning av ett fyllnadsmaterial av kiseldioxid (SiO2) snarare än luft, vilket var vanligare i tidigare studier (Fig. 1). Att växa det aktiva skiktet och sedan skapa den fotoniska kristallen tillåter gitterkonstanten (a) för den fotoniska kristallen att justeras i enlighet med den uppmätta förstärkningsvåglängden för det aktiva skiktet i den epitaxiella strukturen.
Figur 1: Struktur av GaN-baserad PCSEL med grön våglängd: (a) Tvärsnitt av det skurna chipet; (b) (överst) bild med svepelektronmikroskop (SEM) av den fotoniska kristallen på p-GaN-ytan efter avlägsnande av ITO-elektroderna; (nederst) Designschema för fotoniska kristaller med dubbla gitter.
Att fylla gittret med SiO2 förhindrar läckström från att passera genom de ledande partiklarna på sidoväggarna av gitterhålen, vilket leder till stabilare strömkontroll och minskade parasitiska läckströmmar.SiO2 förbättrar också det effektiva brytningsindexet för det fotoniska kristallskiktet, vilket orsakar styrläge för att röra sig mot den fotoniska kristallen och förbättrar kopplingen till det optiska fältet.
En nackdel med att använda SiO2 är att det minskar brytningsindexkontrasten mellan den fotoniska kristallen och GaN, vilket gör det svårare att kontrollera ljusvågor i det fotoniska kristallplanet. För att kompensera för detta ökade forskarna diametern på gitterhålen och använde en dubbelgitterstruktur, där en enhetscell består av två gitterhål förskjutna med 0.4a i x- och y-riktningarna. Detta gjordes, sa forskarna, för att "få tillräcklig inneslutning och koppling i planet även om brytningsindexkontrasten mellan p-GaN och SiO2 som fyller den fotoniska kristallen är låg."
Den fotoniska kristallbildningsprocessen innebär att en transparent ledare av indiumtennoxid (ITO) avsätts på ett epitaxiellt grupp III-nitridmaterial, sedan borras gitterhålen i den fotoniska kristallen med induktivt kopplad plasmareaktiv jonetsning (ICP-RIE) och sedan fylla dem med SiO2 genom att använda plasmakemisk ångdeposition (CVD). ITO-materialet har tagits bort från strukturen, vilket lämnar ett cirkulärt centrumområde med 300-µm diameter som p-elektroden och p-GaN-kristallen som p-elektroden. cirkulärt mittområde som tjänar som en ledning mellan p-elektroden och p-GaN.
Forskarna rapporterar att mitten av de SiO2-fyllda pelarna i den fotoniska kristallen innehåller ett litet lufthål, enligt avbildning med svepelektronmikroskopi. Teamet kommenterade, "Formen på lufthålet är enhetlig inom det fotoniska kristallplanet, och därför tror man att närvaron av lufthålet inte signifikant påverkar prestandan hos PCSEL."
Innan tillverkningsprocessen för enheten slutförs måste n-GaN-skiktet bordetsas och sedan avsätts SiO2 för att täcka bordet (förutom det centrala ITO-området); p-elektroder och n-elektroder är avsatta på de övre respektive undre ytorna; och en antireflekterande (AR) beläggning appliceras på det undre cirkulära laserutmatningsområdet. Enheterna skars sedan och vändes på ett underfäste för prestandamätningar.
Enheten med en fotonisk kristallgitterkonstant på 210 nm uppnådde en maximal uteffekt på cirka 50 mW vid en injektionsström på 5 A och genererade 500 ns pulser med en repetitionsfrekvens på 1 kHz. Dess elektrooptiska omvandlingseffektivitet (WPE) var 0,1 %. Lasertröskeln nåddes vid en strömtäthet på 3,89 kA/cm2. Lutningseffektiviteten var 0,02 W/A. Utgångslasern var linjärt polariserad med ett polarisationsförhållande på 0,8. Divergensvinkeln för det cirkulära fjärrfältsmönstret (FFP) var 0,2 grader. Laservåglängden var 505,7 nm.
Laservåglängden kan avstämmas till viss del när den fotoniska kristallgitterparametern a varieras mellan 210 nm och 217 nm (fig. 2). Den maximala emissionsvåglängden för 217 nm-enheten är 520,5 nm. förstärkningstoppen för det aktiva skiktet är cirka 505 nm, så det är svårare att producera laserljus vid längre våglängder, vilket leder till en ökning av tröskeln med ökningen av den fotoniska kristallgittrets konstant.
Forskarna rapporterar också att vissa enheter med höga fotoniska kristallgitterkonstanter avger flatbandslasring med linjära fjärrfältsmönster. Teamet tillskriver sådan plattbandslasring till fluktuationer i den fotoniska kristallstrukturen och till den relativt låga kopplingskoefficienten för den fotoniska kristallen.
Forskarna kommenterade: "Den elektrooptiska omvandlingseffektiviteten kan förbättras genom att optimera det fotoniska kristallskiktet och det epitaxiella kristallskiktet. För fotoniska kristaller förväntas starkare koppling i planet och vertikal strålning genom att optimera geometrin. Det epitaxiella kristallskiktet bör vara utformad för att maximera styrkan hos de grundläggande styrlägena i det fotoniska kristallområdet, samtidigt som man tar hänsyn till den icke-luminescerande förlusten av injicerade bärare."
Ett trängande behov för framtida forskning är förverkligandet av kontinuerlig vågdrift.
