Nichia Corporation ja Kyoto ülikool Jaapanis teatavad fotoonkristallipinda kiirgavate laserite (PCSEL) võimete laiendamisest nähtava spektri rohelisele ribale [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Teadlased kirjeldavad roheliste PCSELide väljatöötamist kui "primitiivset" võrreldes siniste PCSEL-ide või roheliste serva kiirgavate laserdioodide ja vertikaalse õõnsusega pinda kiirgavate laserdioodidega. Siiski loodab meeskond, et need seadmed on atraktiivsed selliste rakenduste jaoks nagu materjalide töötlemine, suure heledusega valgustus ja kuvarid.
Fotoonilised kristallid (PC-d) kasutavad optilise käitumise kontrollimiseks erinevate murdumisnäitajatega materjalide kahemõõtmelist võrestruktuuri. Teadlased ootavad eriti, et PCSEL-id kasutaksid seda juhtelementi, et hõlbustada üherežiimilise käitumise saavutamist suurema väljundvõimsusega, parandades seeläbi kiire kvaliteeti.
Teadlased kommenteerisid: "Kasutades fotooniliste kristallide singulaarsusi (nt Γ), saavutab PCSEL vertikaalsed ja külgmised ühemoodilised võnkumised ning madala lahknemisega kiirguskiired, mille nurgad on väiksemad kui 0,2 kraadi." PCSEL jaotab optilise võimsuse ka suuremale resonaatorimahule, vältides sellega katastroofilisi optilisi kahjustusi (COD), mida põhjustab intensiivne optiline tihedus.
Fotoonilised kristallid moodustati PCSEL-i epitaksiaalse materjali p-GaN kontaktkihis, kasutades pigem ränidioksiidi (SiO2) täitematerjali kui õhku, mis oli varasemates uuringutes tavalisem (joonis 1). Aktiivse kihi kasvatamine ja seejärel fotoonkristalli loomine võimaldab reguleerida fotoonkristalli võrekonstanti (a) vastavalt epitaksiaalse struktuuri aktiivse kihi mõõdetud võimenduslainepikkusele.
Joonis 1: GaN-põhise PCSEL-i struktuur rohelise lainepikkusega: (a) lõigatud kiibi ristlõige; (b) (ülemine) skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) kujutis p-GaN pinnal olevast fotoonkristallist pärast ITO elektroodide eemaldamist; (alumine) Kahevõrelise fotooniliste kristallide disainiskeem.
Võre täitmine SiO2-ga takistab lekkevoolu läbimist võre aukude külgseintel olevate juhtivate osakeste kaudu, mis tagab stabiilsema voolukontrolli ja väheneb parasiitide lekkevoolud.SiO2 parandab ka fotooniliste kristallide kihi efektiivset murdumisnäitajat, mis põhjustab juhtrežiim fotoonkristalli poole liikumiseks ja suurendab sidet optilise väljaga.
SiO2 kasutamise üks puudus on see, et see vähendab murdumisnäitaja kontrasti fotoonkristalli ja GaN vahel, muutes valguslainete juhtimise fotoonilise kristalli tasapinnas keerulisemaks. Selle kompenseerimiseks suurendasid teadlased võreaukude läbimõõtu ja kasutasid kahevõrelist struktuuri, kus ühikrakk koosneb kahest võreaugust, mis on x ja y suunas nihutatud 0.4a võrra. Teadlaste sõnul tehti seda selleks, et "saavutaks piisav tasapinnaline suletus ja side isegi siis, kui murdumisnäitaja kontrast fotoonkristalli täitva p-GaN ja SiO2 vahel on madal."
Fotooniliste kristallide moodustumise protsess hõlmab indium-tinaoksiidi (ITO) läbipaistva juhi sadestamist III rühma nitriidi epitaksiaalsele materjalile, seejärel fotoonkristallide võreaukude puurimist induktiivselt ühendatud plasmareaktiivse iooni söövitusega (ICP-RIE) ja seejärel nende täitmist. SiO2-ga, kasutades plasma keemilist aurustamise sadestamist (CVD). ITO materjal on struktuurist eemaldatud, jättes p-elektroodiks 300-µm läbimõõduga ringikujulise keskpiirkonna ja p-elektroodiks p-GaN kristall. ringikujuline keskpiirkond, mis toimib kanalina p-elektroodi ja p-GaN vahel.
Uurijad teatavad, et skaneeriva elektronmikroskoopia andmete kohaselt on fotoonkristalli SiO2-täidetud sammaste keskel väike õhuava. Meeskond kommenteeris: "Õhuaugu kuju on fotoonilises kristallitasandis ühtlane ja seetõttu arvatakse, et õhuava olemasolu ei mõjuta oluliselt PCSEL-i jõudlust."
Enne seadme valmistamisprotsessi lõpetamist tuleb n-GaN kiht tabelis söövitada ja seejärel ladestada laua katmiseks SiO2 (välja arvatud ITO keskne ala); p-elektroodid ja n-elektroodid sadestatakse vastavalt ülemisele ja alumisele pinnale; ja alumisele ringikujulisele laserväljundalale kantakse peegeldusvastane (AR) kate. Seejärel lõigati seadmed välja ja pöörati jõudluse mõõtmiseks alamkinnitusse.
Seade fotoonilise kristallvõre konstandiga 210 nm saavutas maksimaalse väljundvõimsuse umbes 50 mW sissepritsevooluga 5 A, genereerides 500 ns impulsse kordussagedusega 1 kHz. Selle elektrooptilise muundamise efektiivsus (WPE) oli 0,1%. Laserimise lävi saavutati voolutiheduse 3,89 kA/cm2 juures. Kalde kasutegur oli 0,02 W/A. Väljundlaser polariseeriti lineaarselt polarisatsioonisuhtega 0,8. Ringikujulise kaugvälja mustri (FFP) lahknemisnurk oli 0, 2 kraadi. Laseri lainepikkus oli 505,7 nm.
Laseri lainepikkust saab teatud määral häälestada, kui fotoonilise kristallvõre parameetrit a muudetakse vahemikus 210 nm kuni 217 nm (joonis 2). 217 nm seadme maksimaalne emissiooni lainepikkus on 520,5 nm. aktiivse kihi võimenduspiik on umbes 505 nm, seega on laservalguse tootmine pikematel lainepikkustel keerulisem, mis viib läve tõusuni koos fotoonilise kristallvõre konstandi suurenemisega.
Teadlased teatavad ka, et mõned kõrge fotoonilise kristallvõre konstantiga seadmed kiirgavad lineaarsete kaugvälja mustritega lameriba laserit. Meeskond omistab sellise lameriba laserimise fotooniliste kristallide struktuuri kõikumisele ja fotooniliste kristallide suhteliselt madalale sidestustegurile.
Teadlased kommenteerisid: "Elektro-optilise muundamise efektiivsust saab parandada fotooniliste kristallide kihi ja epitaksiaalkristallikihi optimeerimisega. Fotooniliste kristallide puhul eeldatakse geomeetria optimeerimisega tugevamat tasapinnalist sidestust ja vertikaalset kiirgust. Epitaksiaalkristalli kiht peaks olema kavandatud nii, et maksimeerida põhiliste juhtrežiimide tugevust fotooniliste kristallide piirkonnas, võttes samal ajal arvesse ka süstitud kandjate mitteluminestseeruvat kadu.
Tulevaste uuringute tungiv vajadus on pidevlaine töö realiseerimine.
