Η Nichia Corporation και το Πανεπιστήμιο του Κιότο στην Ιαπωνία αναφέρουν ότι επεκτείνουν τις δυνατότητες των λέιζερ που εκπέμπουν επιφάνεια φωτονικών κρυστάλλων (PCSEL) στην πράσινη ζώνη του ορατού φάσματος [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Οι ερευνητές περιγράφουν την ανάπτυξη των πράσινων PCSEL ως «πρωτόγονη» σε σύγκριση με τα μπλε PCSEL ή τις πράσινες διόδους λέιζερ εκπομπής άκρων και τις διόδους λέιζερ που εκπέμπουν επιφάνεια κάθετης κοιλότητας. Ωστόσο, η ομάδα ελπίζει ότι αυτές οι συσκευές θα είναι ελκυστικές για εφαρμογές όπως η επεξεργασία υλικών, ο φωτισμός υψηλής φωτεινότητας και οι οθόνες.
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι (PC) χρησιμοποιούν μια δισδιάστατη δικτυωτή δομή υλικών με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης για τον έλεγχο της οπτικής συμπεριφοράς. Οι ερευνητές έχουν ιδιαίτερη προσδοκία από τα PCSEL να χρησιμοποιήσουν αυτό το χειριστήριο για να διευκολύνουν την επίτευξη συμπεριφοράς μονής λειτουργίας σε υψηλότερες ισχύς εξόδου, βελτιώνοντας έτσι την ποιότητα της δέσμης.
Οι ερευνητές σχολίασαν, "Αξιοποιώντας τις ιδιομορφίες (π.χ. Γ) των φωτονικών κρυστάλλων, το PCSEL επιτυγχάνει κάθετες και πλευρικές ταλαντώσεις μονής λειτουργίας καθώς και δέσμες ακτινοβολίας χαμηλής απόκλισης με γωνίες μικρότερες από 0,2 μοίρες." Το PCSEL κατανέμει επίσης την οπτική ισχύ σε μεγαλύτερο όγκο αντηχείου, αποφεύγοντας έτσι την καταστροφική οπτική βλάβη (COD) που προκαλείται από την έντονη οπτική πυκνότητα.
Φωτονικοί κρύσταλλοι σχηματίστηκαν στο στρώμα επαφής p-GaN του επιταξιακού υλικού PCSEL χρησιμοποιώντας ένα υλικό πλήρωσης διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) αντί του αέρα, το οποίο ήταν πιο κοινό σε προηγούμενες μελέτες (Εικ. 1). Η ανάπτυξη του ενεργού στρώματος και στη συνέχεια η δημιουργία του φωτονικού κρυστάλλου επιτρέπει στη σταθερά του πλέγματος (a) του φωτονικού κρυστάλλου να ρυθμιστεί σύμφωνα με το μετρούμενο μήκος κύματος κέρδους του ενεργού στρώματος της επιταξιακής δομής.
Σχήμα 1: Δομή PCSEL που βασίζεται σε GaN με πράσινο μήκος κύματος: (α) Διατομή του κομμένου τσιπ. (β) (επάνω) Εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) του φωτονικού κρυστάλλου στην επιφάνεια p-GaN μετά την αφαίρεση των ηλεκτροδίων ITO. (κάτω) Σχέδιο σχεδίασης φωτονικών κρυστάλλων διπλού πλέγματος.
Η πλήρωση του πλέγματος με SiO2 εμποδίζει το ρεύμα διαρροής να περάσει μέσα από τα αγώγιμα σωματίδια στα πλευρικά τοιχώματα των οπών του πλέγματος, οδηγώντας σε πιο σταθερό έλεγχο ρεύματος και μειωμένα παρασιτικά ρεύματα διαρροής. Το SiO2 βελτιώνει επίσης τον αποτελεσματικό δείκτη διάθλασης του στρώματος φωτονικών κρυστάλλων, που προκαλεί λειτουργία καθοδήγησης για να μετακινηθείτε προς τον φωτονικό κρύσταλλο και ενισχύει τη σύζευξη με το οπτικό πεδίο.
Ένα μειονέκτημα της χρήσης SiO2 είναι ότι μειώνει την αντίθεση του δείκτη διάθλασης μεταξύ του φωτονικού κρυστάλλου και του GaN, καθιστώντας πιο δύσκολο τον έλεγχο των κυμάτων φωτός στο επίπεδο φωτονικών κρυστάλλων. Για να αντισταθμίσουν αυτό, οι ερευνητές αύξησαν τη διάμετρο των οπών του πλέγματος και χρησιμοποίησαν μια δομή διπλού πλέγματος, όπου ένα κελί μονάδας αποτελείται από δύο οπές πλέγματος που μετατοπίζονται κατά 0.4a στις κατευθύνσεις x και y. Αυτό έγινε, είπαν οι ερευνητές, για να «αποκτηθεί επαρκής περιορισμός και σύζευξη εντός του επιπέδου ακόμη και αν η αντίθεση του δείκτη διάθλασης μεταξύ του p-GaN και του SiO2 που γεμίζει τον φωτονικό κρύσταλλο είναι χαμηλή».
Η διαδικασία σχηματισμού φωτονικών κρυστάλλων περιλαμβάνει την εναπόθεση ενός διαφανούς αγωγού οξειδίου του κασσιτέρου του ινδίου (ITO) σε ένα επιταξιακό υλικό νιτριδίου της ομάδας III, στη συνέχεια διάνοιξη των οπών πλέγματος του φωτονικού κρυστάλλου με επαγωγικά συζευγμένη χάραξη αντιδραστικών ιόντων πλάσματος (ICP-RIE) και στη συνέχεια πλήρωσή τους με SiO2 χρησιμοποιώντας χημική εναπόθεση ατμών στο πλάσμα (CVD). το υλικό ITO έχει αφαιρεθεί από τη δομή, αφήνοντας μια κυκλική κεντρική περιοχή διαμέτρου 300-μm ως το p-ηλεκτρόδιο και τον κρύσταλλο p-GaN ως το p-ηλεκτρόδιο. κυκλική κεντρική περιοχή που χρησιμεύει ως αγωγός μεταξύ του p-ηλεκτροδίου και του p-GaN.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι το κέντρο των πυλώνων που είναι γεμάτοι με SiO2-στον φωτονικό κρύσταλλο περιέχει μια μικρή οπή αέρα, σύμφωνα με την απεικόνιση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης. Η ομάδα σχολίασε, «Το σχήμα της οπής αέρα είναι ομοιόμορφο μέσα στο επίπεδο του φωτονικού κρυστάλλου, και επομένως πιστεύεται ότι η παρουσία της οπής αέρα δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του PCSEL».
Πριν από την ολοκλήρωση της διαδικασίας κατασκευής της συσκευής, το στρώμα n-GaN πρέπει να χαραχθεί σε τραπέζι και στη συνέχεια να αποτεθεί το SiO2 για να καλύψει το τραπέζι (εκτός από την κεντρική περιοχή ITO). Τα p-ηλεκτρόδια και τα n-ηλεκτρόδια εναποτίθενται στην άνω και κάτω επιφάνεια, αντίστοιχα. και μια αντιανακλαστική επίστρωση (AR) εφαρμόζεται στην κάτω κυκλική περιοχή εξόδου λέιζερ. Στη συνέχεια, οι συσκευές κόπηκαν και αναποδογυρίστηκαν σε υποστηρίγματα για μετρήσεις απόδοσης.
Η συσκευή με σταθερά φωτονικού κρυσταλλικού πλέγματος 210 nm πέτυχε μέγιστη ισχύ εξόδου περίπου 50 mW σε ρεύμα έγχυσης 5 A που παράγει 500 ns παλμούς με συχνότητα επανάληψης 1 kHz. Η απόδοση ηλεκτρο-οπτικής μετατροπής (WPE) ήταν 0,1%. Το κατώφλι lasing επιτεύχθηκε σε πυκνότητα ρεύματος 3,89 kA/cm2. Η απόδοση κλίσης ήταν 0,02 W/A. Το λέιζερ εξόδου πολώθηκε γραμμικά με αναλογία πόλωσης 0,8. Η γωνία απόκλισης του κυκλικού μοτίβου απομακρυσμένου πεδίου (FFP) ήταν 0,2 μοίρες. Το μήκος κύματος του λέιζερ ήταν 505,7 nm.
Το μήκος κύματος του λέιζερ μπορεί να ρυθμιστεί σε κάποιο βαθμό όταν η παράμετρος του φωτονικού κρυσταλλικού πλέγματος a κυμαίνεται μεταξύ 210 nm και 217 nm (Εικ. 2). Το μέγιστο μήκος κύματος εκπομπής της συσκευής 217 nm είναι 520,5 nm. η κορυφή απολαβής του ενεργού στρώματος είναι περίπου 505 nm, επομένως είναι πιο δύσκολο να παραχθεί φως λέιζερ σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, οδηγώντας σε αύξηση του κατωφλίου με την αύξηση της σταθεράς του φωτονικού κρυσταλλικού πλέγματος.
Οι ερευνητές αναφέρουν επίσης ότι ορισμένες συσκευές με υψηλές σταθερές φωτονικού κρυσταλλικού πλέγματος εκπέμπουν λέιζινγκ επίπεδης ζώνης με γραμμικά μοτίβα απομακρυσμένου πεδίου. Η ομάδα αποδίδει ένα τέτοιο λέιζινγκ επίπεδης ζώνης στις διακυμάνσεις στη δομή των φωτονικών κρυστάλλων και στον σχετικά χαμηλό συντελεστή σύζευξης του φωτονικού κρυστάλλου.
Οι ερευνητές σχολίασαν, "Η απόδοση ηλεκτρο-οπτικής μετατροπής μπορεί να βελτιωθεί με τη βελτιστοποίηση του στρώματος φωτονικών κρυστάλλων και του επιταξιακού κρυσταλλικού στρώματος. Για τους φωτονικούς κρυστάλλους, αναμένεται ισχυρότερη σύζευξη στο επίπεδο και κάθετη ακτινοβολία βελτιστοποιώντας τη γεωμετρία. Το επιταξιακό στρώμα κρυστάλλου θα πρέπει να σχεδιαστεί για να μεγιστοποιήσει την αντοχή των θεμελιωδών τρόπων καθοδήγησης στην περιοχή των φωτονικών κρυστάλλων, λαμβάνοντας επίσης υπόψη τη μη φωταυγή απώλεια των εγχυόμενων φορέων."
Μια πιεστική ανάγκη για μελλοντική έρευνα είναι η υλοποίηση της λειτουργίας συνεχών κυμάτων.
