Wetenschappers en ingenieurs hebben oppervlakte-emitterende halfgeleiderlasers gebruikt in datacommunicatie, voor het voelen, in FaceID en binnen augmented reality-brillen. In een nieuw rapport Yong-Ho Ra en een onderzoeksteam van de afdelingen Electrical and Computer Engineering, en geavanceerde elektronica en fotonica in Canada, Korea en de VS, gedetailleerd de eerste verwezenlijking van een volledig epitaxiale, gedistribueerde Bragg-reflector (DBR)-vrij, elektrisch geïnjecteerde oppervlakte-emitterende groene laser. Ze hebben het apparaat geoptimaliseerd door de fotonische bandrandmodi te verkennen die zijn gevormd in dislocatievrije galliumnitride nanokristalarrays, zonder conventionele DBR's te gebruiken. Ze bedienden het apparaat op ongeveer 523 nm, met een drempelstroom van 400 A/cm ² -een orde van grootte lager dan eerder gerapporteerde blauwe laserdiodes. De studies openden een nieuw paradigma om laagdrempelige, oppervlakte-emitterende laserdiodes, variërend van het ultraviolette gebied tot het diepe zichtbare bereik (ongeveer 200 tot 600 nm). Op dit bereik, de prestaties van het apparaat werden niet beperkt door het ontbreken van hoogwaardige DBR's, grote roostermismatch, of substraatbeschikbaarheid. De resultaten zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Verticale holte-oppervlakte-emitterende laser (VCSEL) diodes werden voor het eerst gepresenteerd in 1979; ze zenden een coherente optische straal verticaal uit vanaf het apparaatoppervlak, om een ​​aantal voordelen te bieden in vergelijking met conventionele edge-emitting lasers. De voordelen zijn onder meer een lagere drempel, cirkelvormige en lage divergentie-uitgangsbundel, langere levensduur en gemakkelijke productie van dichte tweedimensionale (2-D) arrays. Commerciële VCSEL's kunnen worden vervaardigd op galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfide (InP) die meestal licht uitzenden binnen de nabij-infrarode golflengten. Voor lasers die in het zichtbare en ultraviolette spectrale bereik werken, natuurkundigen gebruiken op galliumnitride (GaN) gebaseerde halfgeleiders als materiaal bij uitstek, met substantiële onderzoeksinspanningen in het afgelopen decennium om op GaN gebaseerde VCSEL's te ontwikkelen. Echter, hun werkingsgolflengten zijn grotendeels beperkt tot het blauwe spectrale bereik en daarom moeten onderzoekers nog volledig epitaxiale, oppervlakte-emitterende laserdiodes die in het groene golflengtegebied werken en die het meest gevoelig zijn voor het oog.

Een eerder gerapporteerde continue golf (CW) oppervlakte-emitterende groene laserdiode bij kamertemperatuur vertrouwde op dubbele diëlektrische gedistribueerde Bragg-reflectoren (DBR's) en waterbinding aan een koperen plaat voor een lage thermische weerstand. De resulterende apparaten vertoonden een zeer grote drempelstroomdichtheid bij kamertemperatuur met de werkingsgolflengten beperkt tot 400 en 460 nm. Het vermogen om een ​​laagdrempelige, zeer efficiënt, volledig epitaxiale oppervlakte-emitterende groene laserdiode zal vele opwindende toepassingen in het veld mogelijk maken, inclusief projectieschermen zoals picoprojectoren, plastic optische vezelmededeling, draadloze communicatie, slimme verlichting, optische opslag en biosensoren.

In het huidige werk, Ra et al. een nanokristal oppervlakte-emitterende laser (NCSEL) diode voorgesteld en gedemonstreerd, vrij van DBR's om efficiënt te kunnen functioneren in het groene spectrum. De NCSEL bestond uit InGaN/AlGaN (indium gallium nitride/aluminium gallium nitride) nanokristal arrays van nauwkeurig gecontroleerde grootte, afstand en oppervlaktemorfologie. Door efficiënte spanningsontspanning, dergelijke nanostructuren waren vrij van dislocaties. Ra et al. omvatte meerdere InGaN-kwantumschijven in de semipolaire vlakken van het actieve gebied om het kwantumbeperkte grimmige effect (QCSE) aanzienlijk te verminderen. Om oppervlakterecombinatie in de opstelling te onderdrukken, ze vormden een unieke AlGaN-schaalstructuur rond het actieve gebied van de NCSEL.

Ra et al. onderzocht het resonerende effect van de fotonische bandrand van de nanokristalarray om een ​​elektrisch geïnjecteerde, oppervlakte-emitterende groene laserdiode te demonstreren, zonder conventionele, dikke en resistieve DBR's. Het apparaat functioneerde bij 523,1 nm en vertoonde een lage drempelstroomdichtheid van ongeveer 400 A/cm ² , met zeer stabiele werking bij kamertemperatuur. De wetenschappers bevestigden coherente laseroscillatie met behulp van een far-field-emissiepatroon en met gedetailleerde polarisatiemetingen. Het werk toonde een praktische benadering om hoogwaardige, oppervlakte-emitterende laserdiodes van diep UV tot diep zichtbaar, die voorheen moeilijk te realiseren waren.

In de proefopstelling is de InGaN NCSEL bevatte nanokristallen met een zeshoekige vorm gerangschikt in een driehoekig rooster. De onderzoekers voerden het ontwerp en de simulatie uit, inclusief energiebanddiagram en modusprofiel via 2-D eindige-elementenmethodesimulatie. De nanokristallen behielden een afstand van 30 nm en de roosterconstante was 250 nm. Om NCSEL's te realiseren, Ra et al. vereiste nauwkeurige controle van de nanokristalgrootte, afstand en uniformiteit over een relatief groot gebied. Om dergelijke nanokristalarrays te bereiken, het team gebruikte selectieve gebiedepitaxie via plasma-geassisteerde moleculaire bundelepitaxie (MBE). Om oppervlakterecombinatie te verminderen, ze omvatten een AlGaN-schaalstructuur in het actieve gebied.

Ze voerden aanvullende structurele karakterisering van InGaN-nanokristallen uit met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM). Vervolgens maakten ze een dwarsdoorsnede van het monster met behulp van een gefocusseerd ionenbundelsysteem om een ​​hooghoekig ringvormig donkerveld (HAADF) atoomnummercontrastbeeld van een representatief InGaN-nanokristal te tonen. Ra et al. verifieerde de resulterende unieke piramidale / kegelstructuur en vorming van meerdere kwantumschijfheterostructuren met behulp van representatieve elektrondiffractie met geselecteerde gebieden (SAED) patroonanalyse. Om de elementaire verdeling van het actieve gebied verder te bevestigen, het team voerde een energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDXS) analyse uit, langs de groeirichting van InGan/AlGaN-kwantumschijven.

De wetenschappers observeerden de aanwezigheid van een Al-rijke AlGaN core-shell heterostructuur met behulp van EDXS-puntanalyse. De spontaan gevormde AlGaN-schaal onderdrukte effectief niet-stralende oppervlakterecombinatie; wat een primaire beperkende factor was voor de prestaties van het nanostructurele apparaat. De semipolaire heterostructuur bood verschillende voordelen, waaronder een verbeterde efficiëntie van de lichtemissie, vergeleken met conventionele kwantumschijf/dot-structuren. De unieke structuur kon niet worden ontworpen met behulp van een conventionele top-downbenadering, aangezien het actieve gebied vooraf werd gedefinieerd door de film die in het onderzoek werd vervaardigd. Het team ontwikkelde daarom InGaN NCSEL-diodes met behulp van planarisatie, polyimide passivering, contact metallisatie en fotolithografie technieken.

Het apparaat vertoonde uitstekend NS (stroom-spanning) karakter, deels vanwege een aanzienlijk verminderde defectdichtheid en verbeterde opname van doteermiddelen in nanokristalstructuren. Ze maten het elektroluminescentiekarakter en verzamelden het uitgestraalde licht van het bovenoppervlak van het nanokristal. Ra et al. de elektroluminescentiespectra van het nanokristalapparaat gemeten onder verschillende injectiestromen in de opstelling om een ​​aanzienlijk hoger uitgangsvermogen waar te nemen, vergeleken met eerdere waarden van op GaN gebaseerde VCSEL's die werken bij 460 tot 500 nm, kunnen de resultaten verder worden verbeterd door de ontwerp- en engineeringmethode te optimaliseren.

De laserpiekpositie bleef stabiel op 523 nm boven de drempelwaarde om een ​​zeer stabiele lasering van de kern-schil nanokristallasers te suggereren. De waargenomen laagdrempelige stroomdichtheid en zeer stabiele emissie was voornamelijk gerelateerd aan de nanokristalstructuur en verminderde niet-radiatieve oppervlakterecombinatie, met uitgebreid emissiegebied in het actieve gebied van de InGaN/AlGaN-kegelachtige schil. Ra et al. simuleerde ook het far-field stralingspatroon van de nanokristallaserstructuur met behulp van de 3-D eindige-verschil tijddomeinmethode. De resultaten leverden sterk bewijs voor het bereiken van coherente laseroscillatie in InGaN-nanokristalarrays. De wetenschappers maten de elektroluminescentiespectra om opmerkelijk stabiele en directionele gepolariseerde emissie aan te tonen, vergeleken met conventionele fotonische kristallaserapparaten.

Op deze manier, Yong-Ho Ra en collega's hebben een nieuwe generatie oppervlakte-emitterende diodes beschreven met behulp van bottom-up InGaN-nanokristallen. De belangrijkste kenmerken waren de aanwezigheid van een duidelijke drempel, scherpe lijnbreedtereductie, verschillende far-field emissiepatronen en gepolariseerde lichtemissie om bewijs te leveren voor het bereiken van coherente laseroscillatie. Ze bereikten dit zonder dikke, resistieve en zwaar ontwrichte DBR's in tegenstelling tot conventionele technieken. Het onderzoek kan worden toegepast op de gehele zichtbare en midden- en diepe UV-golflengten om dergelijke lasers te realiseren op goedkope Si-wafels met een groot oppervlak. Deze resultaten zullen een nieuw paradigma openen voor het ontwerpen en ontwikkelen van oppervlakte-emitterende laserdiodes.

© 2020 Wetenschap X Netwerk