Nichia Corporation ja Kioton yliopisto Japanissa raportoivat fotonikiteiden pintaa emittoivien lasereiden (PCSEL) kyvyn laajentamisesta näkyvän spektrin vihreälle kaistalle [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Tutkijat kuvailevat vihreiden PCSEL:ien kehitystä "primitiiviseksi" verrattuna sinisistä PCSEL:istä tai vihreistä reunasta emittoiviin laserdiodeihin ja pystysuoraan pintaan emittoiviin laserdiodeihin. Tiimi kuitenkin toivoo, että nämä laitteet ovat houkuttelevia sovelluksissa, kuten materiaalinkäsittelyssä, kirkkaassa valaistuksessa ja näytöissä.
Fotonikiteet (PC:t) käyttävät kaksiulotteista hilarakennetta materiaaleista, joilla on erilaiset taitekertoimet, ohjaamaan optista käyttäytymistä. Tutkijat odottavat erityisesti PCSEL:ien käyttävän tätä ohjausta helpottaakseen yksimuotokäyttäytymistä suuremmilla lähtötehoilla, mikä parantaa säteen laatua.
Tutkijat kommentoivat: "Hyödyntämällä fotonikiteiden singulariteetteja (esim. Γ), PCSEL saavuttaa pysty- ja lateraaliset yksimuotovärähtelyt sekä matalan hajoamisen säteilysäteet, joiden kulmat ovat alle 0,2 astetta." PCSEL myös jakaa optisen tehon suuremmalle resonaattoritilavuudelle välttäen näin voimakkaan optisen tiheyden aiheuttamat katastrofaaliset optiset vauriot (COD).
Fotonikiteet muodostuivat PCSEL-epitaksiaalisen materiaalin p-GaN-kontaktikerroksessa käyttämällä piidioksidia (SiO2) täyteaineena ilman sijaan, mikä oli yleisempää aikaisemmissa tutkimuksissa (kuva 1). Aktiivisen kerroksen kasvattaminen ja sitten fotonikiteen luominen mahdollistaa fotonikiteen hilavakion (a) säätämisen epitaksiaalisen rakenteen aktiivisen kerroksen mitatun vahvistusaallonpituuden mukaan.
Kuva 1: GaN-pohjaisen PCSEL:n rakenne vihreällä aallonpituudella: (a) Leikatun sirun poikkileikkaus; (b) (yläosa) Pyyhkäisyelektronimikroskoopin (SEM) kuva fotonikiteestä p-GaN-pinnalla ITO-elektrodien poistamisen jälkeen; (alhaalla) Kaksoishilainen fotonikidekidesuunnittelukaavio.
Hilan täyttäminen SiO2:lla estää vuotovirran kulkemisen hilareikien sivuseinillä olevien johtavien hiukkasten läpi, mikä johtaa vakaampaan virranhallintaan ja vähentää loisten vuotovirtoja. SiO2 parantaa myös fotonikidekerroksen tehollista taitekerrointa, mikä aiheuttaa ohjaava tila liikkua kohti fotonikidettä ja parantaa kytkentää optiseen kenttään.
Yksi SiO2:n käytön haittapuoli on, että se vähentää fotonikiteen ja GaN:n välistä taitekerroinkontrastia, mikä vaikeuttaa valoaaltojen hallintaa fotonikidetasossa. Tämän kompensoimiseksi tutkijat lisäsivät hilan reikien halkaisijaa ja käyttivät kaksoishilarakennetta, jossa yksikkökenno koostuu kahdesta hilareiästä, jotka on siirretty 0.4a:lla x- ja y-suunnassa. Tämä tehtiin tutkijoiden mukaan, jotta "saataisiin riittävä tasossa oleva rajoitus ja kytkentä, vaikka fotonikiteen täyttävän p-GaN:n ja SiO2:n välinen taitekerroinkontrasti on pieni."
Fotonikiteiden muodostusprosessiin kuuluu läpinäkyvän indiumtinaoksidin (ITO) johtimen kerrostaminen ryhmän III nitridiepitaksiaaliseen materiaaliin, sitten fotonikiteen hilan reikien poraaminen induktiivisesti kytketyllä plasmareaktiivisella ionietsauksella (ICP-RIE) ja niiden täyttäminen. SiO2:lla käyttäen plasmakemiallista höyrypinnoitusta (CVD). ITO-materiaali on poistettu rakenteesta, jolloin p-elektrodiksi on jäänyt halkaisijaltaan 300-µm pyöreä keskialue ja p-GaN-kide p-elektrodiksi. p-elektrodin ja p-GaN:n välillä toimiva pyöreä keskusalue.
Tutkijat raportoivat, että fotonikiteen SiO2-täytteisten pilarien keskellä on pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvauksen mukaan pieni ilmareikä. Tiimi kommentoi: "Ilman reiän muoto on yhtenäinen fotonikidetasossa, ja siksi uskotaan, että ilmareiän läsnäolo ei vaikuta merkittävästi PCSEL:n suorituskykyyn."
Ennen kuin laitteen valmistusprosessi on valmis, n-GaN-kerros on syövytettävä taulukkoon ja sitten SiO2 kerrostetaan peittämään pöytä (paitsi keskimmäistä ITO-aluetta); p-elektrodit ja n-elektrodit kerrostetaan vastaavasti ylä- ja alapinnalle; ja heijastamaton (AR) pinnoite levitetään alemmalle pyöreälle lasertulostusalueelle. Laitteet leikattiin sitten ja käännettiin alatelineen suorituskyvyn mittauksia varten.
Laite, jonka fotonikidehilavakio on 210 nm, saavutti maksimilähtötehon noin 50 mW 5 A:n injektiovirralla, joka tuottaa 500 ns pulsseja 1 kHz:n toistotaajuudella. Sen sähköoptinen muunnostehokkuus (WPE) oli 0,1 %. Lasointikynnys saavutettiin virrantiheydellä 3,89 kA/cm2. Rinnehyötysuhde oli 0,02 W/A. Lähtölaser polarisoitiin lineaarisesti polarisaatiosuhteella 0,8. Pyöreän kaukokenttäkuvion (FFP) hajontakulma oli 0,2 astetta. Laserin aallonpituus oli 505,7 nm.
Laseraallonpituutta voidaan jossain määrin säätää, kun fotonikidehilan parametria a vaihdellaan välillä 210 nm - 217 nm (kuva 2). 217 nm:n laitteen suurin emissioaallonpituus on 520,5 nm. aktiivisen kerroksen vahvistushuippu on noin 505 nm, joten laservaloa on vaikeampi tuottaa pidemmillä aallonpituuksilla, mikä johtaa kynnyksen nousuun fotonikidehilavakion kasvaessa.
Tutkijat raportoivat myös, että jotkin laitteet, joilla on korkeat fotonikidehilavakiot, lähettävät tasakaistaista laseria lineaarisilla kaukokenttäkuvioilla. Ryhmä pitää tällaisen litteän kaistan laseroinnin johtuvan fotonikiderakenteen vaihteluista ja fotonikiteen suhteellisen alhaisesta kytkentäkertoimesta.
Tutkijat kommentoivat: "Sähköoptista muunnostehokkuutta voidaan parantaa optimoimalla fotonikidekerros ja epitaksiaalinen kidekerros. Fotonikiteille odotetaan vahvempaa tasossa olevaa kytkentää ja pystysuoraa säteilyä optimoimalla geometria. Epitaksiaalisen kidekerroksen tulisi olla Suunniteltu maksimoimaan perusohjausmoodien voimakkuus fotonikidealueella, samalla kun otetaan huomioon injektoitujen kantoaineiden ei-luminoiva häviö."
Tulevaisuuden tutkimuksen kiireellinen tarve on jatkuvan aallon toiminnan toteuttaminen.
