Nichia Corporation un Kioto Universitāte Japānā ziņo par fotonisko kristālu virsmu izstarojošo lāzeru (PCSEL) iespēju paplašināšanu līdz redzamā spektra zaļajai joslai [Natsuo Taguchi et al, Appl. Fizik. Express, v17, p012002, 2024].
Pētnieki raksturo zaļo PCSEL izstrādi kā "primitīvu" salīdzinājumā ar zilajām PCSEL vai zaļajām malu izstarojošām lāzerdiodēm un vertikālās dobuma virsmas izstarojošām lāzerdiodēm. Tomēr komanda cer, ka šīs ierīces būs pievilcīgas tādām lietojumprogrammām kā materiālu apstrāde, augsta spilgtuma apgaismojums un displeji.
Fotoniskie kristāli (PC) izmanto divu dimensiju režģa struktūru no materiāliem ar dažādiem refrakcijas rādītājiem, lai kontrolētu optisko uzvedību. Pētnieki īpaši cer, ka PCSEL izmantos šo vadību, lai atvieglotu viena režīma uzvedību ar lielāku izejas jaudu, tādējādi uzlabojot staru kūļa kvalitāti.
Pētnieki komentēja: "Izmantojot fotonisko kristālu singularitātes (piemēram, Γ), PCSEL panāk vertikālas un sānu viena režīma svārstības, kā arī zemas novirzes starojuma starus ar leņķiem, kas mazāki par 0,2 grādiem." PCSEL arī izplata optisko jaudu pa lielāku rezonatora tilpumu, tādējādi izvairoties no katastrofāliem optiskajiem bojājumiem (COD), ko izraisa intensīvs optiskais blīvums.
Fotoniskie kristāli veidojās PCSEL epitaksiālā materiāla p-GaN kontaktslānī, izmantojot silīcija dioksīda (SiO2) pildvielu, nevis gaisu, kas bija biežāk sastopams iepriekšējos pētījumos (1. att.). Aktīvā slāņa audzēšana un pēc tam fotoniskā kristāla izveidošana ļauj regulēt fotoniskā kristāla režģa konstanti (a) atbilstoši izmērītajam epitaksiālās struktūras aktīvā slāņa pastiprinājuma viļņa garumam.
1. attēls. Uz GaN balstīta PCSEL struktūra ar zaļo viļņa garumu: a) grieztās mikroshēmas šķērsgriezums; b) (augšā) fotoniskā kristāla skenējošā elektronu mikroskopa (SEM) attēls uz p-GaN virsmas pēc ITO elektrodu noņemšanas; (apakšā) Divu režģu fotonisko kristālu dizaina shēma.
Režģa piepildīšana ar SiO2 neļauj noplūdes strāvai iziet cauri vadošajām daļiņām uz režģa caurumu sānu sienām, tādējādi nodrošinot stabilāku strāvas kontroli un samazinot parazītu noplūdes strāvu. SiO2 arī uzlabo fotoniskā kristāla slāņa efektīvo refrakcijas indeksu, kas izraisa virzošais režīms, lai virzītos uz fotonisko kristālu un uzlabotu savienojumu ar optisko lauku.
Viens SiO2 izmantošanas trūkums ir tas, ka tas samazina refrakcijas indeksa kontrastu starp fotonisko kristālu un GaN, padarot grūtāk kontrolēt gaismas viļņus fotoniskā kristāla plaknē. Lai to kompensētu, pētnieki palielināja režģa caurumu diametru un izmantoja divu režģu struktūru, kur vienības šūna sastāv no diviem režģa caurumiem, kas x un y virzienā ir nobīdīti par 0.4a. Pētnieki teica, ka tas tika darīts, lai "iegūtu pietiekamu ieslodzījumu plaknē un savienojumu pat tad, ja refrakcijas indeksa kontrasts starp p-GaN un SiO2, kas piepilda fotonisko kristālu, ir zems."
Fotonisko kristālu veidošanās process ietver indija alvas oksīda (ITO) caurspīdīga vadītāja uzklāšanu uz III grupas nitrīda epitaksiskā materiāla, pēc tam fotoniskā kristāla režģa caurumu urbšanu ar induktīvi savienotu plazmas reaktīvo jonu kodināšanu (ICP-RIE) un pēc tam to piepildīšanu. ar SiO2, izmantojot plazmas ķīmisko tvaiku pārklāšanu (CVD). ITO materiāls ir noņemts no struktūras, atstājot 300-µm diametra apļveida centra apgabalu kā p-elektrodu un p-GaN kristālu kā p-elektrodu. apļveida centra apgabals, kas kalpo kā vads starp p-elektrodu un p-GaN.
Saskaņā ar skenējošās elektronu mikroskopijas attēlu pētnieki ziņo, ka fotoniskā kristāla SiO2-pildīto pīlāru centrā ir neliels gaisa caurums. Komanda komentēja: "Gaisa cauruma forma fotoniskā kristāla plaknē ir vienāda, un tāpēc tiek uzskatīts, ka gaisa cauruma klātbūtne būtiski neietekmē PCSEL veiktspēju."
Pirms ierīces izgatavošanas procesa pabeigšanas n-GaN slānis ir jāiegravē ar tabulu un pēc tam SiO2 jāuzklāj, lai pārklātu galdu (izņemot centrālo ITO zonu); p-elektrodi un n-elektrodi tiek uzklāti attiecīgi uz augšējās un apakšējās virsmas; un apakšējai apļveida lāzera izvades zonai tiek uzklāts pretatstarojošs (AR) pārklājums. Pēc tam ierīces tika sagrieztas un uzliktas uz apakšstiprinājuma veiktspējas mērījumiem.
Ierīce ar fotoniskā kristāla režģa konstanti 210 nm sasniedza maksimālo izejas jaudu aptuveni 50 mW pie iesmidzināšanas strāvas 5 A, radot 500 ns impulsi ar atkārtošanās frekvenci 1 kHz. Tā elektrooptiskās konversijas efektivitāte (WPE) bija 0,1%. Lāzera slieksnis tika sasniegts pie strāvas blīvuma 3,89 kA/cm2. Slīpuma efektivitāte bija 0,02 W/A. Izejas lāzers tika lineāri polarizēts ar polarizācijas attiecību 0, 8. Apļveida tālā lauka modeļa (FFP) novirzes leņķis bija 0, 2 grādi. Lāzera viļņa garums bija 505,7 nm.
Lāzera viļņa garumu zināmā mērā var noregulēt, ja fotoniskā kristāla režģa parametrs a tiek mainīts no 210 nm līdz 217 nm (2. att.). 217 nm ierīces maksimālais emisijas viļņa garums ir 520,5 nm. aktīvā slāņa pastiprinājuma maksimums ir aptuveni 505 nm, tāpēc ir grūtāk ražot lāzera gaismu pie garākiem viļņu garumiem, kas noved pie sliekšņa palielināšanās, palielinoties fotoniskā kristāla režģa konstantei.
Pētnieki arī ziņo, ka dažas ierīces ar augstām fotoniskā kristāla režģa konstantēm izstaro plakanjoslas lāzeru ar lineāriem tālā lauka modeļiem. Komanda šādu plakanu joslu lāzeru saista ar fotoniskā kristāla struktūras svārstībām un salīdzinoši zemo fotoniskā kristāla savienojuma koeficientu.
Pētnieki komentēja: "Elektrooptiskās konversijas efektivitāti var uzlabot, optimizējot fotonisko kristālu slāni un epitaksiālo kristālu slāni. Fotoniskajiem kristāliem, optimizējot ģeometriju, ir sagaidāms spēcīgāks plaknes savienojums un vertikālais starojums. Epitaksiālā kristāla slānim vajadzētu būt ir izstrādāti, lai maksimāli palielinātu galveno vadošo režīmu spēku fotonisko kristālu reģionā, vienlaikus ņemot vērā arī injicēto nesēju neluminiscējošus zudumus.
Neatliekama nepieciešamība turpmākiem pētījumiem ir nepārtraukta viļņa darbības realizācija.
