Корпорация Nichia и Киотский университет в Японии сообщают о расширении возможностей фотонно-кристаллических лазеров поверхностного излучения (PCSEL) до зеленой полосы видимого спектра [Natsuo Taguchi et al, Appl. Физ. Экспресс, v17, p012002, 2024].
Исследователи описывают разработку зеленых PCSEL как «примитивную» по сравнению с синими PCSEL или зелеными лазерными диодами с краевым излучением и лазерными диодами с поверхностным излучением с вертикальным резонатором. Однако команда надеется, что эти устройства будут привлекательны для таких приложений, как обработка материалов, освещение высокой яркости и дисплеи.
Фотонные кристаллы (ПК) используют двумерную решетчатую структуру материалов с разными показателями преломления для управления оптическим поведением. Исследователи надеются, что PCSEL будут использовать этот элемент управления, чтобы упростить достижение одномодового поведения при более высоких выходных мощностях, тем самым улучшая качество луча.
Исследователи прокомментировали: «Используя особенности (например, Γ) фотонных кристаллов, PCSEL достигает вертикальных и поперечных одномодовых колебаний, а также пучков излучения с низкой расходимостью с углами менее 0,2 градуса». PCSEL также распределяет оптическую мощность по большему объему резонатора, что позволяет избежать катастрофических оптических повреждений (COD), вызванных высокой оптической плотностью.
Фотонные кристаллы формировались в контактном слое p-GaN эпитаксиального материала PCSEL с использованием наполнителя из диоксида кремния (SiO2), а не воздуха, что было более распространено в предыдущих исследованиях (рис. 1). Выращивание активного слоя и последующее создание фотонного кристалла позволяет регулировать постоянную решетки (а) фотонного кристалла в соответствии с измеренной длиной волны усиления активного слоя эпитаксиальной структуры.
Рисунок 1: Структура PCSEL на основе GaN с зеленой длиной волны: (а) Поперечное сечение срезанного чипа; (б) (вверху) изображение фотонного кристалла на поверхности p-GaN после удаления электродов ITO, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ); (внизу) Схема конструкции двухрешеточного фотонного кристалла.
Заполнение решетки SiO2 предотвращает прохождение тока утечки через проводящие частицы на боковых стенках отверстий решетки, что приводит к более стабильному регулированию тока и уменьшению паразитных токов утечки. SiO2 также улучшает эффективный показатель преломления фотонно-кристаллического слоя, что вызывает направляющая мода движется к фотонному кристаллу и усиливает связь с оптическим полем.
Одним из недостатков использования SiO2 является то, что он уменьшает контраст показателей преломления между фотонным кристаллом и GaN, что затрудняет управление световыми волнами в плоскости фотонного кристалла. Чтобы компенсировать это, исследователи увеличили диаметр отверстий решетки и использовали структуру с двойной решеткой, где элементарная ячейка состоит из двух отверстий решетки, смещенных на 0.4a в направлениях x и y. По словам исследователей, это было сделано для того, чтобы «получить достаточное ограничение и связь в плоскости, даже если контраст показателей преломления между p-GaN и SiO2, заполняющими фотонный кристалл, низок».
Процесс формирования фотонных кристаллов включает в себя нанесение прозрачного проводника из оксида индия и олова (ITO) на эпитаксиальный нитридный материал группы III, затем сверление отверстий в решетке фотонного кристалла с помощью реактивного ионного травления с индуктивно-связанной плазмой (ICP-RIE) и последующее их заполнение. с SiO2 методом плазмохимического осаждения из паровой фазы (CVD). материал ITO был удален из структуры, оставив круглую центральную область диаметром 300- мкм в качестве p-электрода и кристалл p-GaN в качестве p-электрода. круглая центральная область, служащая каналом между p-электродом и p-GaN.
Исследователи сообщают, что, согласно данным сканирующей электронной микроскопии, в центре столбиков фотонного кристалла, заполненных SiO2-, имеется небольшое воздушное отверстие. Команда прокомментировала: «Форма воздушного отверстия однородна в плоскости фотонного кристалла, и поэтому считается, что наличие воздушного отверстия не оказывает существенного влияния на производительность PCSEL».
Перед завершением процесса изготовления устройства слой n-GaN необходимо протравить на столе, а затем нанести SiO2 на покрытие стола (кроме центральной области ITO); p-электроды и n-электроды нанесены на верхнюю и нижнюю поверхности соответственно; На нижнюю круглую область вывода лазера наносится антибликовое (AR) покрытие. Затем устройства были разрезаны и перевернуты на дополнительное крепление для измерения производительности.
Устройство с постоянной фотонно-кристаллической решетки 210 нм достигло максимальной выходной мощности около 50 мВт при токе инжекции 5 А, генерирующем 500 нс. импульсы с частотой повторения 1 кГц. Его эффективность электрооптического преобразования (WPE) составила 0,1%. Порог генерации достигался при плотности тока 3,89 кА/см2. Эффективность наклона составила 0,02 Вт/А. Выходной лазер был линейно поляризован с коэффициентом поляризации 0,8. Угол расхождения круговой диаграммы направленности в дальнем поле (FFP) составлял 0,2 градуса. Длина волны лазера составляла 505,7 нм.
Длину волны лазера можно в некоторой степени перестраивать, изменяя параметр фотонно-кристаллической решетки a в пределах 210–217 нм (рис. 2). Максимальная длина волны излучения устройства 217 нм составляет 520,5 нм. пик усиления активного слоя составляет около 505 нм, поэтому сложнее производить лазерный свет на более длинных волнах, что приводит к увеличению порога с увеличением постоянной фотонно-кристаллической решетки.
Исследователи также сообщают, что некоторые устройства с высокими константами фотонно-кристаллической решетки излучают плоскозонную генерацию с линейными диаграммами направленности в дальней зоне. Команда объясняет такую генерацию плоской зоны флуктуациями фотонно-кристаллической структуры и относительно низким коэффициентом связи фотонного кристалла.
Исследователи прокомментировали: «Эффективность электрооптического преобразования можно повысить за счет оптимизации фотонно-кристаллического слоя и эпитаксиально-кристаллического слоя. Для фотонных кристаллов ожидается более сильная связь в плоскости и вертикальное излучение за счет оптимизации геометрии. Эпитаксиально-кристаллический слой должен быть спроектированы так, чтобы максимизировать силу основных ведущих мод в области фотонных кристаллов, а также учитывать нелюминесцентные потери инжектированных носителей».
Насущной необходимостью будущих исследований является реализация работы в непрерывном режиме.
