Konwencjonalne lasery półprzewodników, takie jak lasery wnęki Fabry-Pérot (FP), lasery rozproszone sprzężenie zwrotne (DFB) i lasery emitujące powierzchnię pionowej (VCSELS), nie mogą jednocześnie osiągnąć operacji pojedynczej, wysoką moc wyjściową i mały kąt rozbieżności. Jednak fotoniczne lasery emitujące powierzchnię kryształów (PCSELS) wykorzystują dyfrakcję Bragga w dwuwymiarowych kryształach fotonicznych, aby osiągnąć wyjście laserowe o dużej mocy z małym kątem rozbieżności (ryc. 1), co czyni je jednym z gorących tematów badań zarówno w kraju, jak i na arenie międzynarodowej.
Materiały półprzewodników oparte na azotku galu (GAN) mają bezpośrednią pasmę, z długościami fal emisji obejmujących widmo głębokiego ultrafioletowego, oferując zalety, takie jak wysoka wydajność światła i doskonała stabilność chemiczna, co czyni je odpowiednimi do produkcji PCSEL. PCSEL oparte na GAN zawierają obiecujące zastosowania w rozwijających się dziedzinach, takich jak nowatorskie wyświetlacze, przetwarzanie materiałów, oświetlenie laserowe, komunikacja podwodna, komunikacja międzygwiezdna, zegary atomowe ChIP, eksploracja głębokiej przestrzeni, radar atomowy i medycyna laserowa, przyciągając powszechną uwagę.
Ryc. 1. Schematy strukturalne, typowe kąty rozbieżności dalekiego pola i wyjściowe charakterystyki spektralne laserów emitujących krawędzi FP, laserów emitujących krawędzi DFB, VCSELS i PCSELS.
Zespół profesora NODA na Uniwersytecie Kioto w Japonii po raz pierwszy zaproponował koncepcję PCSELS w 1999 r. I zgłosił pierwsze wskaźnik elektro-wtrysku z fioletowymi PCSelami na bazie GAN w Science 319, 445 (2008). Następnie we współpracy z japońską firmą Stanley Company w 2022 r. I japońską firmą Nichia w 2024 r. Ponadto rozszerzyli długość fali emisji PCSELS opartych na niebiesko-zielonych światłach. Obecnie tylko Japonia osiągnęła indukowaną elektryczną emisję PCSEL opartych na GAN na całym świecie.
We współpracy z kluczowym laboratorium materiałów i układów na półprzewodnika oraz Laboratorium Suzhou, oba ustanowione przez Suzhou Institute of Nanotechnology i nanoscience chińskiej akademii nauki, została niedawno rozwinięta laser fotoniczny (PCSEL) (PCSEL).
Zespół badawczy po raz pierwszy symulował i zaprojektował strukturę urządzenia PCSEL na bazie GAN, a następnie epitaksalnie wyhodował wysokiej jakości materiały laserowe na bazie GAN, i opracował procesy wytrawiania kryształów i pasywacji o niskim obrębie, aby sfabrykować urządzenie PCSEL na bazie GAN, o rozmiarze kryształu fotonicznego 4 0 0 μm² (ryc. 2). Mierząc strukturę pasma PCEL na bazie GAN w kierunku γ-X przy użyciu spektroskopii z rozdzielczością kątową (ryc. 3) zaobserwowano, że: przy niskich prądach wstrzyknięcia struktura pasma jest wyraźna, przy czym tryb C ma najwyższą intensywność; Wraz ze wzrostem prądu intensywność trybu nie promieniującego B znacznie poprawia się do momentu wystąpienia lasowania. Mierząc strukturę pasma, ustalono, że lazy urządzenia w trybie podstawowym B, z połową szerokości w trybie około 0,05 nm w pobliżu prądu progowego.
Ryc. 2. (A) Schemat schematu struktury PCSEL na bazie GAN, (B) struktura pasma kryształu fotonicznego uzyskana z optycznych testów pompowania oraz (c) powierzchni i (d) skanującego mikroskopu elektronowego skanującego mikroskopu fotonicznego.
Rycina 3. (A-E) Struktura pasma opartego na Gan PCEL w kierunku γ-X zmierzonym przy różnych prądach wstrzyknięcia, krzywej (F) pokazującej zmianę szczytowej długości fali i spektralną pół szerokości PCSEL na bazie GAN z prądem wstrzykniętym.
W oparciu o powyższą pracę zespół badawczy osiągnął wtrącanie w temperaturze wtrysku prądowego lasera fotonicznego lasera emitującego powierzchnię kryształu na bazie GAN (ryc. 4), o długości fali lasowej około 415 nm, prąd progowy 21,96 A, odpowiadającą prognozę prądu prądu około 13,7 ka\/cm² i szczytowej sile wyjściowej przy około 170 MW. W następnym etapie zespół planuje wykorzystać wysokiej jakości pojedyncze podłoża GAN, aby zaprojektować nową strukturę PCSEL opartą na GAN i pokonać wyzwania w produkcji urządzeń PCSEL oraz technologii opakowań\/zarządzania termicznego, aby osiągnąć dużą moc (10–100 W) wyjściową laserową.
Rycina 4. PCSEL oparty na GAN: (a) Widma elektroluminescencyjne przy różnych prądach wtrysku, (b) Wyjściowe krzywe optyczne prąd mocy-napięcie-napięcie, (c) plamka dalekiego pola oraz (d) przed i (e) po zdjęciach lasowania PCSEL na bazie GAN.
