Forskare och ingenjörer har använt ytemitterande halvledarlasrar i datakommunikation, för avkänning, i FaceID och inom augmented reality-glasögon. I en ny rapport, Yong-Ho Ra och ett forskarteam vid avdelningarna för elektro- och datateknik, och avancerad elektronik och fotonik i Kanada, Korea och USA, detaljerade den första prestationen av en helt epitaxi, distribuerad Bragg-reflektor (DBR)-fri, elektriskt injicerad ytemitterande grön laser. De optimerade enheten genom att utforska de fotoniska bandkantlägena som bildas i dislokationsfria nanokristallmatriser av galliumnitrid, utan att använda konventionella DBR. De körde enheten vid ungefär 523 nm, med en tröskelström på 400 A/cm ² - en storleksordning lägre än tidigare rapporterade blå laserdioder. Studierna öppnade ett nytt paradigm för att utveckla lågtröskel, ytemitterande laserdioder, allt från det ultravioletta området till det djupa synliga området (ungefär 200 till 600 nm). I detta intervall, enhetens prestanda var inte begränsad av bristen på högkvalitativa DBR, stort ojämn gitter, eller substrattillgänglighet. Resultaten publiceras nu på Vetenskapliga framsteg .

Vertical cavity ytemitterande laser (VCSEL) dioder presenterades först 1979; de avger en koherent optisk stråle vertikalt från enhetens yta, att erbjuda ett antal fördelar jämfört med konventionella kantutsändande lasrar. Fördelarna inkluderar lägre tröskel, cirkulär och låg divergens utgångsstråle, längre livslängd och enkel produktion av täta tvådimensionella (2-D) arrayer. Kommersiella VCSELs kan tillverkas på galliumarsenid (GaAs) och indiumfosfid (InP) som mestadels avger ljus inom de nära-infraröda våglängderna. För lasrar som arbetar i det synliga och ultravioletta spektralområdet, fysiker använder galliumnitrid (GaN)-baserade halvledare som valmaterial, med betydande forskningsinsatser under det senaste decenniet för att utveckla GaN-baserade VCSELs. Dock, deras operationsvåglängder är till stor del begränsade till det blå spektralområdet och därför har forskare ännu inte konstruerat helt epitaxiella, ytemitterande laserdioder som verkar i det gröna våglängdsområdet som är mest känsliga för ögat.

En tidigare rapporterad rumstemperatur kontinuerlig våg (CW) ytemitterande grön laserdiod förlitade sig på dubbla dielektriska distribuerade Bragg-reflektorer (DBR) och vattenbindning till en kopparplatta för lågt termiskt motstånd. De resulterande anordningarna uppvisade en mycket stor tröskelströmtäthet vid rumstemperatur med operationsvåglängderna begränsade till 400 och 460 nm. Förmågan att bilda en lågtröskel, högeffektiv, helt epitaxiella ytemitterande grön laserdiod kommer att tillåta många spännande applikationer på fältet, inklusive projektionsskärmar som pico-projektorer, kommunikation med optisk fiber av plast, trådlös kommunikation, smart belysning, optisk lagring och biosensorer.

I det nuvarande arbetet, Ra et al. föreslagit och demonstrerade en nanokristallytemitterande laser (NCSEL) diod, fri från DBR för att fungera effektivt i det gröna spektrumet. NCSEL bestod av InGaN/AlGaN (indiumgalliumnitrid/aluminiumgalliumnitrid) nanokristalluppsättningar av exakt kontrollerad storlek, avstånd och ytmorfologi. På grund av effektiv belastningsavslappning, sådana nanostrukturer var fria från dislokationer. Ra et al. inkluderade flera InGaN-kvantskivor i de semipolära planen i den aktiva regionen för att avsevärt minska den kvantbegränsade skarpa effekten (QCSE). För att undertrycka ytrekombination i installationen, de bildade en unik AlGaN -skalstruktur runt det aktiva området i NCSEL.

Ra et al. utforskade den fotoniska bandkantens resonanseffekt av nanokristallmatrisen för att demonstrera en elektriskt injicerad ytemitterande grön laserdiod, utan att använda konventionella, tjocka och resistiva DBR:er. Enheten fungerade vid 523,1 nm och uppvisade en låg tröskelströmtäthet på ungefär 400 A/cm ² , med mycket stabil drift vid rumstemperatur. Forskarna bekräftade koherent laseroscillation med hjälp av fjärrfältsemissionsmönster och med detaljerade polarisationsmätningar. Arbetet visade ett praktiskt förhållningssätt för att uppnå högpresterande, ytemitterande laserdioder från djup UV till det djupa synliga, som tidigare var svåra att uppnå.

I experimentuppställningen, InGaN NCSEL innehöll nanokristaller med en hexagonal form arrangerade i ett triangulärt gitter. Forskarna utförde designen och simuleringen, inklusive energibandsdiagram och modprofil via 2-D finita element-metodsimulering. Nanokristallerna bibehöll ett avstånd på 30 nm och gitterkonstanten var 250 nm. För att realisera NCSELs, Ra et al. krävde exakt kontroll av nanokristallstorleken, avstånd och enhetlighet över ett relativt stort område. För att uppnå sådana nanokristallmatriser, teamet använde selektiv areapitaxi via plasmaassisterad molekylär strålepitaxi (MBE). För att minska ytrekombination, de inkluderade en AlGaN-skalstruktur i den aktiva regionen.

De utförde ytterligare strukturell karakterisering av InGaN nanokristaller med hjälp av scanning transmission elektronmikroskopi (STEM). Sedan förberedde de ett tvärsnitt av provet med hjälp av ett fokuserat jonstrålesystem för att visa högvinklat ringformigt mörkfält (HAADF) atomnummerkontrastbild av en representativ InGaN nanokristall. Ra et al. verifierade den resulterande unika pyramidformiga/konstrukturen och bildningen av multipla kvantdiskheterostrukturer med hjälp av representativ analys av mönster för utvalda områden av elektrondiffraktion (SAED). För att ytterligare bekräfta elementär distribution av den aktiva regionen, teamet utförde en energidispersiv röntgenspektroskopi (EDXS) analys, längs tillväxtriktningen för InGan/AlGaN kvantskivor.

Forskarna observerade närvaron av en Al-rik AlGaN-kärna-skal-heterostruktur med hjälp av EDXS-punktanalys. Det spontant bildade AlGaN-skalet undertryckte effektivt icke-strålande ytrekombination; vilket var en primär begränsande faktor för den nanostrukturella enhetens prestanda. Den semipolära heterostrukturen gav flera fördelar, inklusive förbättrad ljusutsläppseffektivitet, jämfört med konventionella kvantskivor/prickstrukturer. Den unika strukturen kunde inte konstrueras med ett konventionellt uppifrån och ned-tillvägagångssätt eftersom den aktiva regionen var fördefinierad av filmen som tillverkades i studien. Teamet konstruerade därför InGaN NCSEL-dioder med hjälp av planarisering, polyimid passivering, kontaktmetallisering och fotolitografitekniker.

Enheten uppvisade utmärkt I-V (strömspänning) karaktär, delvis på grund av avsevärt minskad defektdensitet och förbättrad inkludering av dopmedel i nanokristallstrukturer. De mätte elektroluminescenskaraktären och samlade det emitterade ljuset från nanokristallens övre yta. Ra et al. mätte elektroluminescensspektra för nanokristallenheten under olika injektionsströmmar i uppställningen för att observera en betydligt högre uteffekt, jämfört med tidigare värden för GaN-baserade VCSEL:er som arbetar vid 460 till 500 nm - resultaten kan förbättras ytterligare genom att optimera design- och ingenjörsmetoden.

Den lasrande topppositionen förblev stabil vid 523 nm över tröskeln för att antyda mycket stabil lasring av kärn-skal nanokristalllasrarna. Den observerade lågtröskelströmtätheten och mycket stabila emissionen var huvudsakligen relaterad till nanokristallstrukturen och minskad icke-strålningsytrekombination, med utökat emissionsområde i det aktiva området InGaN/AlGaN konliknande skal. Ra et al. simulerade också fjärrfältstrålningsmönstret för nanokristallaserstrukturen med hjälp av 3D-metoden tidsbegränsad skillnad. Resultaten gav starka bevis på att uppnå koherent lasrsvängning i InGaN nanokristallmatriser. Forskarna mätte elektroluminescensspektra för att visa anmärkningsvärt stabil och riktad polariserad emission, jämfört med konventionella fotoniska kristalllaserenheter.

På det här sättet, Yong-Ho Ra och kollegor beskrev en ny generation ytemitterande dioder med InGaN nanokristaller nedifrån och upp. De viktigaste egenskaperna inkluderade närvaron av en tydlig tröskel, kraftig minskning av linjebredden, distinkta fjärrfältsemissionsmönster och polariserad ljusemission för att ge bevis för att uppnå koherent lasrande oscillation. De åstadkom detta utan att använda tjocka, resistiva och kraftigt dislokerade DBRs i motsats till konventionella tekniker. Forskningen kan tillämpas över hela synliga såväl som medel- och djupa UV-våglängder för att realisera sådana lasrar på lågkostnads- och storarea Si-skivor. Dessa resultat kommer att öppna ett nytt paradigm för att designa och utveckla ytemitterande laserdioder.

© 2020 Science X Network