A Nichia Corporation és a japán Kyoto Egyetem jelentése szerint a fotonikus kristályfelületet kibocsátó lézerek (PCSEL) képességeit kiterjesztették a látható spektrum zöld sávjára [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
A kutatók a zöld PCSEL-ek kifejlesztését "primitívnek" minősítik a kék PCSEL-ekhez vagy a zöld élkibocsátó lézerdiódákhoz és a függőleges üregű felületkibocsátó lézerdiódákhoz képest. A csapat azonban reméli, hogy ezek az eszközök vonzóak lesznek az olyan alkalmazásokhoz, mint az anyagfeldolgozás, a nagy fényerejű világítás és a kijelzők.
A fotonikus kristályok (PC-k) különböző törésmutatókkal rendelkező anyagok kétdimenziós rácsszerkezetét használják az optikai viselkedés szabályozására. A kutatók különösen azt várják, hogy a PCSEL-ek ezt a vezérlést használják, hogy megkönnyítsék az egymódusú viselkedés elérését nagyobb kimeneti teljesítmény mellett, ezáltal javítva a sugárminőséget.
A kutatók megjegyezték: "A fotonikus kristályok szingularitásainak (pl. Γ) kihasználásával a PCSEL függőleges és oldalirányú egymódusú oszcillációkat, valamint alacsony divergenciájú sugárzási nyalábokat ér el, amelyek szöge kisebb, mint 0,2 fok." A PCSEL az optikai teljesítményt nagyobb rezonátortérfogatra is szétosztja, így elkerülhető az intenzív optikai sűrűség okozta katasztrofális optikai károsodás (COD).
A PCSEL epitaxiális anyag p-GaN érintkezési rétegében fotonikus kristályok keletkeztek levegő helyett szilícium-dioxid (SiO2) töltőanyag felhasználásával, ami a korábbi vizsgálatokban gyakoribb volt (1. ábra). Az aktív réteg növesztése, majd a fotonikus kristály létrehozása lehetővé teszi a fotonkristály rácsállandójának (a) beállítását az epitaxiális szerkezet aktív rétegének mért erősítési hullámhosszának megfelelően.
1. ábra: GaN alapú PCSEL zöld hullámhosszú szerkezete: (a) A vágott chip keresztmetszete; (b) (felső) Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) kép a fotonikus kristályról a p-GaN felületen az ITO elektródák eltávolítása után; (alul) Kettős rácsos fotonikus kristály tervezési séma.
A rács SiO2-val való feltöltése megakadályozza, hogy a szivárgó áram áthaladjon a rácsnyílások oldalfalain lévő vezető részecskéken, ami stabilabb áramszabályozást és csökkenti a parazita szivárgási áramokat. A SiO2 emellett javítja a fotonikus kristályréteg effektív törésmutatóját, ami a irányító mód a fotonikus kristály felé történő elmozduláshoz, és fokozza az optikai mezőhöz való kapcsolódást.
A SiO2 használatának egyik hátránya, hogy csökkenti a törésmutató kontrasztját a fotonikus kristály és a GaN között, ami megnehezíti a fényhullámok szabályozását a fotonikus kristálysíkban. Ennek kompenzálására a kutatók megnövelték a rácsfuratok átmérőjét, és kettős rácsos struktúrát alkalmaztak, ahol az egységcella két rácslyukból áll, amelyeket x és y irányban 0.4a-val eltoltak. A kutatók szerint ezt azért tették, hogy "megfelelő síkbeli elzáródást és csatolást érjenek el, még akkor is, ha a fotonikus kristályt kitöltő p-GaN és SiO2 közötti törésmutató kontrasztja alacsony."
A fotonikus kristályképzési folyamat során egy indium-ón-oxid (ITO) átlátszó vezetőt helyeznek fel egy III-as csoportú nitrid epitaxiális anyagra, majd a fotonikus kristály rácsfuratait induktív csatolású plazma reaktív ion maratással (ICP-RIE) fúrják, majd kitöltik azokat. SiO2-val plazma kémiai gőzleválasztással (CVD). az ITO anyagot eltávolították a szerkezetből, így egy 300-µm átmérőjű, kör alakú középső régió maradt p-elektródként, és a p-GaN kristály p-elektródként. kör alakú középső régió, amely vezetékként szolgál a p-elektród és a p-GaN között.
A kutatók arról számoltak be, hogy a pásztázó elektronmikroszkópos képalkotás szerint a fotonikus kristályban lévő SiO{0}}töltött oszlopok közepén egy kis léglyuk található. A csapat megjegyezte: "A levegőlyuk alakja egységes a fotonikus kristálysíkon belül, ezért úgy gondolják, hogy a levegőlyuk jelenléte nem befolyásolja jelentősen a PCSEL teljesítményét."
Az eszköz gyártási folyamatának befejezése előtt az n-GaN réteget asztali maratással kell ellátni, majd SiO2-t kell felhordani, hogy lefedje az asztalt (kivéve a központi ITO területet); p-elektródák és n-elektródák vannak lerakva a felső és az alsó felületekre; és tükröződésmentes (AR) bevonatot viszünk fel az alsó kör alakú lézerkimeneti területre. Az eszközöket ezután levágták, és egy altartóra fordították a teljesítményméréshez.
A 210 nm fotonikus kristályrácsállandójú eszköz körülbelül 50 mW maximális kimeneti teljesítményt ért el 5 A befecskendezési áram mellett, 500 ns generálással. impulzusok 1 kHz ismétlési frekvenciával. Elektro-optikai konverziós hatásfoka (WPE) 0,1% volt. A lézerezési küszöböt 3,89 kA/cm2 áramsűrűségnél érték el. A lejtő hatásfoka 0,02 W/A volt. A kimeneti lézer lineárisan polarizált 0,8 polarizációs aránnyal. A körkörös távoli términtázat (FFP) divergencia szöge 0,2 fok volt. A lézer hullámhossza 505,7 nm volt.
A lézer hullámhossza bizonyos mértékig hangolható, ha a fotonikus kristályrács a paraméterét 210 nm és 217 nm között változtatjuk (2. ábra). A 217 nm-es készülék maximális emissziós hullámhossza 520,5 nm. az aktív réteg erősítési csúcsa körülbelül 505 nm, ezért nehezebb hosszabb hullámhosszon lézerfényt előállítani, ami a fotonikus kristályrács-állandó növekedésével a küszöb növekedéséhez vezet.
A kutatók arról is beszámolnak, hogy egyes magas fotonikus kristályrácsállandókkal rendelkező eszközök síksávos lézerezést bocsátanak ki lineáris távoli términtázattal. A csapat az ilyen lapos sávos lézerezést a fotonikus kristályszerkezet ingadozásainak és a fotonikus kristály viszonylag alacsony csatolási együtthatójának tulajdonítja.
A kutatók megjegyezték: "Az elektro-optikai konverziós hatékonyság javítható a fotonikus kristályréteg és az epitaxiális kristályréteg optimalizálásával. A fotonikus kristályok esetében erősebb síkbeli csatolás és függőleges sugárzás várható a geometria optimalizálásával. Az epitaxiális kristályrétegnek úgy kell megtervezni, hogy maximalizálják az alapvető vezetési módok erejét a fotonikus kristály régióban, miközben figyelembe veszik a befecskendezett hordozók nem lumineszcens veszteségét is."
A jövőbeli kutatások sürgető igénye a folyamatos hullámú működés megvalósítása.
