Die Nichia Corporation und die Universität Kyoto in Japan berichten über die Erweiterung der Fähigkeiten photonischer kristalloberflächenemittierender Laser (PCSELs) auf das grüne Band des sichtbaren Spektrums [Natsuo Taguchi et al., Appl. Physik. Express, v17, p012002, 2024].
Die Forscher beschreiben die Entwicklung grüner PCSELs als „primitiv“ im Vergleich zu blauen PCSELs oder grünen kantenemittierenden Laserdioden und oberflächenemittierenden Laserdioden mit vertikalem Resonator. Das Team hofft jedoch, dass diese Geräte für Anwendungen wie Materialverarbeitung, Beleuchtung mit hoher Helligkeit und Displays attraktiv sein werden.
Photonische Kristalle (PCs) nutzen eine zweidimensionale Gitterstruktur aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, um das optische Verhalten zu steuern. Die Forscher erwarten insbesondere, dass PCSELs diese Steuerung nutzen, um das Erreichen von Singlemode-Verhalten bei höheren Ausgangsleistungen zu erleichtern und dadurch die Strahlqualität zu verbessern.
Die Forscher kommentierten: „Durch Ausnutzung der Singularitäten (z. B. Γ) photonischer Kristalle erreicht PCSEL vertikale und laterale Monomode-Oszillationen sowie Strahlungsstrahlen mit geringer Divergenz und Winkeln von weniger als 0,2 Grad.“ PCSEL verteilt außerdem die optische Leistung über ein größeres Resonatorvolumen und vermeidet so katastrophale optische Schäden (COD), die durch die hohe optische Dichte verursacht werden.
Photonische Kristalle wurden in der p-GaN-Kontaktschicht des PCSEL-Epitaxiematerials unter Verwendung eines Füllmaterials aus Siliziumdioxid (SiO2) anstelle von Luft gebildet, was in früheren Studien häufiger vorkam (Abb. 1). Durch das Aufwachsen der aktiven Schicht und die anschließende Erzeugung des photonischen Kristalls kann die Gitterkonstante (a) des photonischen Kristalls entsprechend der gemessenen Verstärkungswellenlänge der aktiven Schicht der Epitaxiestruktur angepasst werden.
Abbildung 1: Struktur von GaN-basiertem PCSEL mit grüner Wellenlänge: (a) Querschnitt des geschnittenen Chips; (b) (oben) Rasterelektronenmikroskop-Bild (REM) des photonischen Kristalls auf der p-GaN-Oberfläche nach Entfernung der ITO-Elektroden; (unten) Designschema für photonische Kristalle mit zwei Gittern.
Das Füllen des Gitters mit SiO2 verhindert, dass Leckströme durch die leitenden Partikel an den Seitenwänden der Gitterlöcher fließen, was zu einer stabileren Stromsteuerung und reduzierten parasitären Leckströmen führt. SiO2 verbessert auch den effektiven Brechungsindex der photonischen Kristallschicht, was dazu führt, dass Der Führungsmodus bewegt sich in Richtung des photonischen Kristalls und verbessert die Kopplung an das optische Feld.
Ein Nachteil der Verwendung von SiO2 besteht darin, dass es den Brechungsindexkontrast zwischen dem photonischen Kristall und GaN verringert, wodurch es schwieriger wird, Lichtwellen in der Ebene des photonischen Kristalls zu kontrollieren. Um dies zu kompensieren, vergrößerten die Forscher den Durchmesser der Gitterlöcher und verwendeten eine Doppelgitterstruktur, bei der eine Elementarzelle aus zwei Gitterlöchern besteht, die in x- und y-Richtung um 0.4a versetzt sind. Dies geschah, so die Forscher, um „eine ausreichende Eingrenzung und Kopplung in der Ebene zu erreichen, selbst wenn der Brechungsindexkontrast zwischen p-GaN und SiO2, das den photonischen Kristall füllt, gering ist.“
Der photonische Kristallbildungsprozess umfasst die Abscheidung eines transparenten Indium-Zinn-Oxid-Leiters (ITO) auf einem epitaktischen Material der Gruppe III-Nitrid, das anschließende Bohren der Gitterlöcher des photonischen Kristalls mit induktiv gekoppeltem Plasma-Reaktiv-Ionen-Ätzen (ICP-RIE) und das anschließende Füllen mit SiO2 mittels plasmachemischer Gasphasenabscheidung (CVD). Das ITO-Material wurde aus der Struktur entfernt, so dass ein kreisförmiger Mittelbereich mit einem Durchmesser von 300-µm als p-Elektrode und der p-GaN-Kristall als p-Elektrode zurückblieben. kreisförmiger Mittelbereich, der als Leitung zwischen der p-Elektrode und p-GaN dient.
Die Forscher berichten, dass das Zentrum der mit SiO2- gefüllten Säulen im photonischen Kristall laut Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen ein kleines Luftloch enthält. Das Team kommentierte: „Die Form des Luftlochs ist innerhalb der photonischen Kristallebene einheitlich und daher wird angenommen, dass das Vorhandensein des Luftlochs die Leistung des PCSEL nicht wesentlich beeinflusst.“
Vor Abschluss des Herstellungsprozesses des Geräts muss die n-GaN-Schicht tischgeätzt und anschließend SiO2 abgeschieden werden, um den Tisch zu bedecken (mit Ausnahme des zentralen ITO-Bereichs); p-Elektroden und n-Elektroden sind jeweils auf der Ober- und Unterseite angebracht; und auf dem unteren kreisförmigen Laserausgangsbereich ist eine Antireflexionsbeschichtung (AR) aufgebracht. Anschließend wurden die Geräte zerschnitten und zur Leistungsmessung auf eine Unterhalterung geklappt.
Das Gerät mit einer photonischen Kristallgitterkonstante von 21 0 nm erreichte eine maximale Ausgangsleistung von etwa 5 0 mW bei einem Injektionsstrom von 5 A und erzeugte 5 00 ns Impulse mit einer Folgefrequenz von 1 kHz. Sein elektrooptischer Umwandlungswirkungsgrad (WPE) betrug 0,1 %. Die Laserschwelle wurde bei einer Stromdichte von 3,89 kA/cm2 erreicht. Der Steigungswirkungsgrad betrug 0,02 W/A. Der Ausgangslaser war linear polarisiert mit einem Polarisationsverhältnis von 0,8. Der Divergenzwinkel des kreisförmigen Fernfeldmusters (FFP) betrug 0,2 Grad. Die Laserwellenlänge betrug 505,7 nm.
Die Laserwellenlänge kann bis zu einem gewissen Grad eingestellt werden, wenn der Gitterparameter a des photonischen Kristalls zwischen 210 nm und 217 nm variiert wird (Abb. 2). Die maximale Emissionswellenlänge des 217-nm-Geräts beträgt 520,5 nm. Der Verstärkungspeak der aktiven Schicht liegt bei etwa 505 nm, sodass es schwieriger ist, Laserlicht bei längeren Wellenlängen zu erzeugen, was zu einem Anstieg des Schwellenwerts mit zunehmender Gitterkonstante des photonischen Kristalls führt.
Die Forscher berichten auch, dass einige Geräte mit hohen photonischen Kristallgitterkonstanten Flachbandlaser mit linearen Fernfeldmustern aussenden. Das Team führt dieses Flachbandlasern auf Schwankungen in der photonischen Kristallstruktur und auf den relativ niedrigen Kopplungskoeffizienten des photonischen Kristalls zurück.
Die Forscher kommentierten: „Die Effizienz der elektrooptischen Umwandlung kann durch Optimierung der photonischen Kristallschicht und der epitaktischen Kristallschicht verbessert werden. Bei photonischen Kristallen wird durch die Optimierung der Geometrie eine stärkere Kopplung in der Ebene und eine stärkere vertikale Strahlung erwartet. Die epitaktische Kristallschicht sollte dies tun.“ so konzipiert sein, dass die Stärke der fundamentalen Leitmoden im photonischen Kristallbereich maximiert wird und gleichzeitig der nichtlumineszierende Verlust injizierter Ladungsträger berücksichtigt wird.“
Ein dringender Bedarf für zukünftige Forschung ist die Realisierung des Dauerstrichbetriebs.
