Обычные полупроводниковые лазеры, такие как лазеры из полости Фабри-Перот (FP), лазеры распределенной обратной связи (DFB) и лазеры с поверхностной эмиссией вертикальной мощности (VCSELS), не могут одновременно достигать работы с одним режимом, высокой выходной мощности и небольшого угла дивергенции. Тем не менее, фотонологические лазеры, излучающие поверхность кристалла (PCSELS), используют дифракцию брэгга в двумерных фотонных кристаллах для достижения мощного одномодового лазерного выхода с небольшим углом дивергенции (рис. 1), что делает их одной из горячих исследований как внутри страны, так и на международном уровне.
Полупроводниководные материалы на основе нитрида галлия (GAN) имеют прямую полосовую сетку, причем длина волн излучения, охватывающие видимый до глубокого ультрафиолетового спектра, предлагая такие преимущества, как высокая светящаяся эффективность и превосходная химическая стабильность, что делает их подходящими для изготовления PCSEL. PCSELS на основе GAN обладают многообещающими приложениями в новых областях, таких как новые дисплеи, обработка материала, лазерное освещение, подводная связь, межзвездная связь, атомные часы чипа, исследования глубокого пространства, атомный радар и лазерная медицина, привлекая широкое внимание.
Рисунок 1. Структурные диаграммы, типичные углы дивергенции в дальнем поле и выходные спектральные характеристики лазеров, излучающих края FP, лазеры, излучающие край DFB, VCSEL и PCSELS.
Команда профессора Нода в Университете Киото в Японии впервые предложила концепцию PCSELS в 1999 году и сообщила о первой температуре в комнате-температуре с электроприповедением фиолетовых PCSELS в науке 319, 445 (2008). Впоследствии, в сотрудничестве с японской компанией Stanley в 2022 году и японской компанией Nichia в 2024 году, они дополнительно расширили длину волны выбросов PCSELS на базирующейся в GAN на Blue и Green Light Bands. В настоящее время только Япония достигла индуцированной электрическим инъекцией выбросов PCSEL на основе GAN во всем мире.
В сотрудничестве с ключевой лабораторией полупроводниковых отображающих материалов и чипсов и лабораторией Сучжоу, созданной Институтом нанотехнологий Сучжоу, так и нанонаукцией китайской академии наук, недавно был разработан лазер, выводящий на основе GAN.
Исследовательская группа сначала смоделировала и разработала структуру устройства PCSel на основе GAN, затем эпитаксиально выросшие высококачественные лазерные материалы на основе GAN и разработали процессы фотонного кристаллического травления с низким уровнем узора для изготовления устройства PCSel на основе GAN с размером области фотонных кристаллов 4 {14}} 0 × 400 мкм² (рис. 2). Измеряя полосовую структуру PCSEL на основе GAN в направлении γ-X, используя спектроскопию с разрешением угла (рис. 3), было отмечено, что: при низких токах впрыска структура полосы ясна, причем режим C имеет самую высокую интенсивность; Когда ток увеличивается, интенсивность нерадиативной моды B значительно увеличивается до тех пор, пока не произойдет нажатие. Измеряя структуру полосы, было установлено, что устройства лаз в фундаментальной режиме B с режимом полугодии примерно 0,05 нм вблизи порогового тока.
Рисунок 2. (A) Схематическая диаграмма структуры PCSEL на основе GAN, (b) фотонную кристаллическую полосу структуры, полученная из оптических испытаний на насос, и (C) поверхности и (d) сканирующих изображений электронных микроскопов поперечного сечения фотонного кристалла.
Рисунок 3. (A-E) полоса структура PCSEL на основе GAN в направлении γ-X, измеренной в различных токах впрыска, (F) кривая, показывающая изменение пиковой длины волны и спектральной половины ширины PCSEL на основе GAN с током инъекции.
Основываясь на вышеупомянутой работе, исследовательская группа достигла электрической инъекции в помещении с фотоин-хрупкой на основе GAN Photonic Crystal Surficer Laser (рис. 4), с длина волны, составляющей приблизительно 415 нм, пороговый ток 21,96 A, соответствующая пороговая плотность приблизительно 13,7 KA/CM² и пиковая выходная мощность 170 Mw. На следующем шаге команда планирует использовать высококристаллические субстраты высококристаллических подложков GAN для разработки новой структуры PCSEL на основе GAN и преодолеть проблемы в технологии изготовления устройств и упаковки/теплового управления для достижения мощных (10–100 Вт).
Рисунок 4. На основе GAN PCSEL: (a) Электролюминесцентные спектры в различных токах впрыска, (b) выходные оптические кривые напряжения мощности, (C) дальнего поля и (d) до и (e) после изображений в ближнем поле лазирования PCSEL на основе GAN.
