Nichia Corporation dan Universitas Kyoto di Jepang melaporkan perluasan kemampuan laser pemancar permukaan kristal fotonik (PCSEL) ke pita hijau dari spektrum tampak [Natsuo Taguchi et al, Appl. Fis. Ekspres, v17, p012002, 2024].
Para peneliti menggambarkan pengembangan PCSEL hijau sebagai "primitif" dibandingkan dengan PCSEL biru atau dioda laser pemancar tepi hijau dan dioda laser pemancar permukaan rongga vertikal. Namun, tim berharap perangkat ini menarik untuk aplikasi seperti pemrosesan material, pencahayaan kecerahan tinggi, dan tampilan.
Kristal fotonik (PC) menggunakan struktur kisi dua dimensi dari bahan dengan indeks bias berbeda untuk mengontrol perilaku optik. Para peneliti memiliki harapan khusus agar PCSEL menggunakan kontrol ini agar lebih mudah mencapai perilaku mode tunggal pada daya keluaran yang lebih tinggi, sehingga meningkatkan kualitas pancaran.
Para peneliti berkomentar, "Dengan memanfaatkan singularitas (misalnya, Γ) kristal fotonik, PCSEL mencapai osilasi mode tunggal vertikal dan lateral serta sinar radiasi divergensi rendah dengan sudut kurang dari 0.2 derajat." PCSEL juga menyebarkan daya optik ke volume resonator yang lebih besar, sehingga menghindari bencana kerusakan optik (COD) yang disebabkan oleh kepadatan optik yang intens.
Kristal fotonik terbentuk pada lapisan kontak p-GaN bahan epitaksi PCSEL menggunakan bahan pengisi silikon dioksida (SiO2) daripada udara, yang lebih umum pada penelitian sebelumnya (Gbr. 1). Menumbuhkan lapisan aktif dan kemudian membuat kristal fotonik memungkinkan konstanta kisi (a) kristal fotonik disesuaikan dengan penguatan panjang gelombang yang diukur dari lapisan aktif struktur epitaksi.
Gambar 1: Struktur PCSEL berbasis GaN dengan panjang gelombang hijau: (a) Penampang potongan chip; (b) (atas) Gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) dari kristal fotonik pada permukaan p-GaN setelah pelepasan elektroda ITO; (bawah) Skema desain kristal fotonik kisi ganda.
Mengisi kisi dengan SiO2 mencegah arus bocor melewati partikel konduktif di dinding samping lubang kisi, sehingga menghasilkan kontrol arus yang lebih stabil dan mengurangi arus bocor parasit. SiO2 juga meningkatkan indeks bias efektif lapisan kristal fotonik, yang menyebabkan mode pemandu untuk bergerak menuju kristal fotonik dan meningkatkan sambungan ke bidang optik.
Salah satu kelemahan penggunaan SiO2 adalah mengurangi kontras indeks bias antara kristal fotonik dan GaN, sehingga lebih sulit mengendalikan gelombang cahaya pada bidang kristal fotonik. Untuk mengimbangi hal ini, para peneliti meningkatkan diameter lubang kisi dan menggunakan struktur kisi ganda, di mana sel satuan terdiri dari dua lubang kisi yang diimbangi dengan 0.4a pada arah x dan y. Hal ini dilakukan, kata para peneliti, untuk "mendapatkan pengekangan dan penggandengan dalam bidang yang cukup bahkan jika kontras indeks bias antara p-GaN dan SiO2 yang mengisi kristal fotonik rendah."
Proses pembentukan kristal fotonik melibatkan pengendapan konduktor transparan indium timah oksida (ITO) pada bahan epitaksi nitrida golongan III, kemudian mengebor lubang kisi kristal fotonik dengan etsa ion reaktif plasma berpasangan induktif (ICP-RIE), dan kemudian mengisinya. dengan SiO2 menggunakan deposisi uap kimia plasma (CVD). bahan ITO telah dikeluarkan dari struktur, menyisakan daerah pusat lingkaran berdiameter 300-µm sebagai elektroda p dan kristal p-GaN sebagai elektroda p. wilayah pusat melingkar yang berfungsi sebagai saluran antara elektroda p dan p-GaN.
Para peneliti melaporkan bahwa bagian tengah pilar berisi SiO2-dalam kristal fotonik mengandung lubang udara kecil, menurut pemindaian pencitraan mikroskop elektron. Tim berkomentar, "Bentuk lubang udara seragam di dalam bidang kristal fotonik, dan oleh karena itu diyakini bahwa keberadaan lubang udara tidak mempengaruhi kinerja PCSEL secara signifikan."
Sebelum menyelesaikan proses fabrikasi perangkat, lapisan n-GaN perlu digores di meja dan kemudian diendapkan SiO2 untuk menutupi meja (kecuali untuk area pusat ITO); elektroda p dan elektroda n masing-masing diendapkan pada permukaan atas dan bawah; dan lapisan anti-reflektif (AR) diterapkan pada area keluaran laser melingkar bawah. Perangkat tersebut kemudian dipotong dan dibalik ke sub-mount untuk pengukuran kinerja.
Perangkat dengan konstanta kisi kristal fotonik 210 nm mencapai daya keluaran maksimum sekitar 50 mW pada arus injeksi 5 A yang menghasilkan 500 ns pulsa pada frekuensi pengulangan 1 kHz. Efisiensi konversi elektro-optik (WPE) adalah 0,1%. Ambang batas penguat dicapai pada rapat arus 3,89 kA/cm2. Efisiensi kemiringannya adalah 0,02 W/A. Laser keluaran terpolarisasi linier dengan rasio polarisasi 0,8. Sudut divergensi pola medan jauh melingkar (FFP) adalah 0,2 derajat. Panjang gelombang laser adalah 505,7 nm.
Panjang gelombang laser dapat disetel sampai batas tertentu ketika parameter kisi kristal fotonik a divariasikan antara 210 nm dan 217 nm (Gbr. 2). Panjang gelombang emisi maksimum perangkat 217 nm adalah 520,5 nm. puncak penguatan lapisan aktif adalah sekitar 505 nm, sehingga lebih sulit untuk menghasilkan sinar laser pada panjang gelombang yang lebih panjang, yang menyebabkan peningkatan ambang batas seiring dengan peningkatan konstanta kisi kristal fotonik.
Para peneliti juga melaporkan bahwa beberapa perangkat dengan konstanta kisi kristal fotonik tinggi memancarkan penguat pita datar dengan pola medan jauh linier. Tim mengaitkan penguat pita datar tersebut dengan fluktuasi struktur kristal fotonik dan koefisien kopling kristal fotonik yang relatif rendah.
Para peneliti berkomentar, “Efisiensi konversi elektro-optik dapat ditingkatkan dengan mengoptimalkan lapisan kristal fotonik dan lapisan kristal epitaksi. Untuk kristal fotonik, kopling dalam bidang yang lebih kuat dan radiasi vertikal diharapkan dengan mengoptimalkan geometri. Lapisan kristal epitaksi harus dirancang untuk memaksimalkan kekuatan mode panduan mendasar di wilayah kristal fotonik, sekaligus memperhitungkan hilangnya pembawa yang disuntikkan secara non-luminescent."
Kebutuhan mendesak untuk penelitian di masa depan adalah realisasi operasi gelombang kontinu.
