Japonya'daki Nichia Corporation ve Kyoto Üniversitesi, fotonik kristal yüzey yayan lazerlerin (PCSEL'ler) yeteneklerini görünür spektrumun yeşil bandına genişlettiğini rapor etmektedir [Natsuo Taguchi ve diğerleri, Appl. Fizik. Ekspres, v17, p012002, 2024].
Araştırmacılar, yeşil PCSEL'lerin gelişimini, mavi PCSEL'lere veya yeşil kenar yayan lazer diyotlara ve dikey boşluklu yüzey yayan lazer diyotlara kıyasla "ilkel" olarak tanımlıyor. Ancak ekip, bu cihazların malzeme işleme, yüksek parlaklıkta aydınlatma ve ekranlar gibi uygulamalar için çekici olacağını umuyor.
Fotonik kristaller (PC'ler), optik davranışı kontrol etmek için farklı kırılma indislerine sahip malzemelerden oluşan iki boyutlu bir kafes yapısı kullanır. Araştırmacıların, PCSEL'lerin bu kontrolü daha yüksek çıkış güçlerinde tek modlu davranışa ulaşmayı kolaylaştırmak ve böylece ışın kalitesini artırmak için kullanması konusunda özel bir beklentisi var.
Araştırmacılar şu yorumu yaptı: "PCSEL, fotonik kristallerin tekilliklerinden (örn., Γ) yararlanarak dikey ve yanal tek modlu salınımların yanı sıra 0.2 dereceden daha küçük açılara sahip düşük diverjanslı radyasyon ışınları elde eder." PCSEL ayrıca optik gücü daha büyük bir rezonatör hacmine yayar, böylece yoğun optik yoğunluğun neden olduğu yıkıcı optik hasarı (COD) önler.
Önceki çalışmalarda daha yaygın olan, hava yerine silikon dioksitten (SiO2) oluşan bir dolgu malzemesi kullanılarak PCSEL epitaksiyel malzemesinin p-GaN temas katmanında fotonik kristaller oluşturuldu (Şekil 1). Aktif katmanın büyütülmesi ve ardından fotonik kristalin oluşturulması, fotonik kristalin kafes sabitinin (a), epitaksiyel yapının aktif katmanının ölçülen kazanç dalga boyuna göre ayarlanmasına olanak tanır.
Şekil 1: Yeşil dalga boyuna sahip GaN tabanlı PCSEL'in yapısı: (a) Kesilen çipin kesiti; (b) (üstte) ITO elektrotlarının çıkarılmasından sonra p-GaN yüzeyindeki fotonik kristalin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü; (altta) Çift kafesli fotonik kristal tasarım şeması.
Kafesin SiO2 ile doldurulması, kaçak akımın kafes deliklerinin yan duvarlarındaki iletken parçacıklardan geçmesini önleyerek daha kararlı akım kontrolüne ve parazitik kaçak akımların azalmasına yol açar. SiO2 ayrıca fotonik kristal katmanının etkili kırılma indeksini de geliştirir, bu da fotonik kristal katmanın etkin kırılma indeksini artırır. fotonik kristale doğru hareket etmek için rehberlik modu ve optik alanla eşleşmeyi arttırır.
SiO2 kullanmanın bir dezavantajı, fotonik kristal ile GaN arasındaki kırılma indisi kontrastını azaltarak fotonik kristal düzleminde ışık dalgalarını kontrol etmeyi zorlaştırmasıdır. Bunu telafi etmek için araştırmacılar kafes deliklerinin çapını arttırdılar ve bir birim hücrenin x ve y yönlerinde 0.4a ile kaydırılan iki kafes deliğinden oluştuğu ikili kafes yapısını kullandılar. Araştırmacılar, bunun "fotonik kristali dolduran p-GaN ve SiO2 arasındaki kırılma indisi kontrastı düşük olsa bile yeterli düzeyde düzlem içi hapsetme ve bağlanma elde etmek" için yapıldığını söyledi.
Fotonik kristal oluşumu süreci, bir grup III nitrür epitaksiyel malzeme üzerine bir indiyum kalay oksit (ITO) şeffaf iletkenin yerleştirilmesini, ardından fotonik kristalin kafes deliklerinin endüktif olarak eşleşmiş plazma reaktif iyon aşındırma (ICP-RIE) ile delinmesini ve ardından bunların doldurulmasını içerir. Plazma kimyasal buhar biriktirme (CVD) kullanılarak SiO2 ile. ITO malzemesi yapıdan çıkarılmış ve p-elektrodu olarak 300-μm çapında dairesel bir merkez bölge ve p-elektrodu olarak p-GaN kristali bırakılmıştır. p-elektrodu ve p-GaN arasında bir kanal görevi gören dairesel merkez bölgesi.
Araştırmacılar, taramalı elektron mikroskobu görüntülemesine göre, fotonik kristaldeki SiO2-dolu sütunların merkezinde küçük bir hava deliği bulunduğunu bildirmektedir. Ekip şu yorumu yaptı: "Hava deliğinin şekli fotonik kristal düzlem içinde aynıdır ve bu nedenle hava deliğinin varlığının PCSEL'in performansını önemli ölçüde etkilemediğine inanılmaktadır."
Cihazın üretim sürecini tamamlamadan önce, n-GaN katmanının tablayla kazınması gerekir ve ardından tablayı kaplayacak şekilde SiO2 biriktirilir (merkezi ITO alanı hariç); p-elektrotlar ve n-elektrotlar sırasıyla üst ve alt yüzeylere yerleştirilir; ve alt dairesel lazer çıkış alanına yansıma önleyici (AR) kaplama uygulanır. Daha sonra cihazlar performans ölçümleri için kesildi ve bir alt montaj üzerine çevrildi.
210 nm fotonik kristal kafes sabitine sahip cihaz, 500 ns üreten 5 A enjeksiyon akımında yaklaşık 50 mW'lık maksimum çıkış gücüne ulaştı 1 kHz tekrarlama frekansındaki darbeler. Elektro-optik dönüşüm verimliliği (WPE) %0,1 idi. Kalıcı eşiğe 3,89 kA/cm2'lik bir akım yoğunluğunda ulaşıldı. Eğim verimliliği 0,02 W/A idi. Çıkış lazeri, 0,8'lik bir polarizasyon oranıyla doğrusal olarak polarize edildi. Dairesel uzak alan modelinin (FFP) sapma açısı 0,2 dereceydi. Lazer dalga boyu 505,7 nm idi.
Fotonik kristal kafes parametresi a 210 nm ile 217 nm arasında değiştiğinde lazer dalga boyu bir dereceye kadar ayarlanabilir (Şekil 2). 217 nm cihazın maksimum emisyon dalga boyu 520,5 nm'dir. Aktif katmanın kazanç zirvesi yaklaşık 505 nm'dir, bu nedenle daha uzun dalga boylarında lazer ışığı üretmek daha zordur, bu da fotonik kristal kafes sabitinin artmasıyla eşik değerinin artmasına neden olur.
Araştırmacılar ayrıca yüksek fotonik kristal kafes sabitlerine sahip bazı cihazların doğrusal uzak alan desenleriyle düz bant lazeri yaydığını da bildiriyor. Ekip, bu tür düz bant kalıcılığını fotonik kristal yapısındaki dalgalanmalara ve fotonik kristalin nispeten düşük bağlanma katsayısına bağlıyor.
Araştırmacılar şu yorumu yaptı: "Elektro-optik dönüşüm verimliliği, fotonik kristal katman ve epitaksiyel kristal katman optimize edilerek geliştirilebilir. Fotonik kristaller için, geometri optimize edilerek daha güçlü düzlem içi bağlantı ve dikey radyasyon beklenir. Epitaksiyel kristal katman, Enjekte edilen taşıyıcıların ışıldayan olmayan kaybını da hesaba katarken, fotonik kristal bölgesindeki temel kılavuz modların gücünü en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmalı."
Gelecekteki araştırmalar için acil bir ihtiyaç, sürekli dalga işleminin gerçekleştirilmesidir.
