Mae Nichia Corporation a Phrifysgol Kyoto yn Japan yn adrodd ymestyn galluoedd laserau allyrru arwyneb grisial ffotonig (PCSELs) i fand gwyrdd y sbectrwm gweladwy [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Mae'r ymchwilwyr yn disgrifio datblygiad PCSELs gwyrdd fel "cyntefig" o'i gymharu â PCSELs glas neu deuodau laser allyrru ymyl gwyrdd a deuodau laser sy'n allyrru arwyneb ceudod fertigol. Fodd bynnag, mae'r tîm yn gobeithio y bydd y dyfeisiau hyn yn ddeniadol ar gyfer cymwysiadau megis prosesu deunyddiau, goleuadau disgleirdeb uchel, ac arddangosfeydd.
Mae crisialau ffotonig (PCs) yn defnyddio strwythur dellt dau-ddimensiwn o ddeunyddiau gyda mynegeion plygiannol gwahanol i reoli ymddygiad optegol. Mae gan yr ymchwilwyr ddisgwyliad penodol i PCSELs ddefnyddio'r rheolaeth hon i'w gwneud hi'n haws cyflawni ymddygiad un modd ar bwerau allbwn uwch, a thrwy hynny wella ansawdd y pelydr.
Dywedodd yr ymchwilwyr, "Trwy fanteisio ar hynodrwydd (ee, Γ) crisialau ffotonig, mae PCSEL yn cyflawni osgiliadau modd sengl fertigol ac ochrol yn ogystal â thrawstiau ymbelydredd dargyfeiriad isel ag onglau sy'n llai na 0.2 gradd." Mae PCSEL hefyd yn lledaenu'r pŵer optegol dros gyfaint resonator mwy, gan osgoi difrod optegol trychinebus (COD) a achosir gan ddwysedd optegol dwys.
Ffurfiwyd crisialau ffotonig yn haen gyswllt p-GaN y deunydd epitaxial PCSEL gan ddefnyddio deunydd llenwi o silicon deuocsid (SiO2) yn hytrach nag aer, a oedd yn fwy cyffredin mewn astudiaethau blaenorol (Ffig. 1). Mae tyfu'r haen weithredol ac yna creu'r grisial ffotonig yn caniatáu i gysonyn dellt (a) y grisial ffotonig gael ei addasu yn ôl tonfedd cynnydd mesuredig haen weithredol y strwythur epitaxial.
Ffigur 1: Strwythur PCSEL wedi'i seilio ar GaN gyda thonfedd gwyrdd: (a) Trawstoriad o'r sglodion torri; (b) (top) Delwedd microsgop sganio electron (SEM) o'r grisial ffotonig ar yr wyneb p-GaN ar ôl tynnu'r electrodau ITO; (gwaelod) Cynllun dylunio grisial ffotonig dellt deuol.
Mae llenwi'r dellt gyda SiO2 yn atal cerrynt gollyngiadau rhag pasio trwy'r gronynnau dargludol ar waliau ochr y tyllau dellt, gan arwain at reolaeth gyfredol fwy sefydlog a lleihau cerrynt gollyngiadau parasitig.SiO2 hefyd yn gwella mynegai plygiannol effeithiol yr haen grisial ffotonig, sy'n achosi'r modd tywys i symud tuag at y grisial ffotonig ac yn gwella'r cyplu i'r maes optegol.
Un anfantais o ddefnyddio SiO2 yw ei fod yn lleihau'r cyferbyniad mynegai plygiannol rhwng y grisial ffotonig a GaN, gan ei gwneud hi'n anoddach rheoli tonnau golau yn yr awyren grisial ffotonig. I wneud iawn am hyn, cynyddodd yr ymchwilwyr diamedr y tyllau dellt a defnyddio strwythur dellt deuol, lle mae cell uned yn cynnwys dau dwll dellt wedi'i wrthbwyso gan 0.4a yn y cyfarwyddiadau x ac y. Gwnaethpwyd hyn, meddai'r ymchwilwyr, er mwyn "cael digon o gyfyngiad a chyplu mewn awyren hyd yn oed os yw'r cyferbyniad mynegai plygiannol rhwng y p-GaN a SiO2 sy'n llenwi'r grisial ffotonig yn isel."
Mae'r broses ffurfio grisial ffotonig yn cynnwys adneuo dargludydd tryloyw indium tun ocsid (ITO) ar ddeunydd epitaxial nitrid grŵp III, yna drilio tyllau dellt y grisial ffotonig gydag ysgythru ïon adweithiol plasma wedi'i gyplysu'n anwythol (ICP-RIE), ac yna eu llenwi. gyda SiO2 gan ddefnyddio dyddodiad anwedd cemegol plasma (CVD). mae'r deunydd ITO wedi'i dynnu o'r strwythur, gan adael rhanbarth canol crwn {{2} µm-diamedr fel y p-electrod a'r grisial p-GaN fel yr electrod p. rhanbarth canol cylchol yn gweithredu fel sianel rhwng y p-electrod a p-GaN.
Mae'r ymchwilwyr yn adrodd bod canol y pileri llawn SiO yn y grisial ffotonig yn cynnwys twll aer bach, yn ôl sganio delweddu microsgopeg electron. Dywedodd y tîm, "Mae siâp y twll aer yn unffurf o fewn yr awyren grisial ffotonig, ac felly credir nad yw presenoldeb y twll aer yn effeithio'n sylweddol ar berfformiad y PCSEL."
Cyn cwblhau proses saernïo'r ddyfais, mae angen i'r haen n-GaN gael ei hysgythru gan fwrdd ac yna mae SiO2 yn cael ei adneuo i orchuddio'r bwrdd (ac eithrio ardal ganolog ITO); mae p-electrodau ac n-electrodau yn cael eu hadneuo ar yr arwynebau uchaf a gwaelod, yn y drefn honno; a gosodir cotio gwrth-adlewyrchol (AR) i'r ardal allbwn laser cylchol gwaelod. Yna cafodd y dyfeisiau eu torri a'u troi ar is-mount ar gyfer mesuriadau perfformiad.
Cyflawnodd y ddyfais gyda chysonyn dellt grisial ffotonig o 210 nm bŵer allbwn uchaf o tua 50 mW ar gerrynt pigiad o 5 A gan gynhyrchu 500 ns corbys ar amledd ailadrodd o 1 kHz. Ei effeithlonrwydd trosi electro-optegol (WPE) oedd 0.1%. Cyrhaeddwyd y trothwy laser ar ddwysedd cyfredol o 3.89 kA/cm2. Effeithlonrwydd y llethr oedd 0.02 W/A. Roedd y laser allbwn wedi'i polareiddio'n llinol gyda chymhareb polareiddio o 0.8. Ongl dargyfeiriad y patrwm maes pell crwn (FFP) oedd 0.2 gradd. Y donfedd laser oedd 505.7 nm.
Gellir tiwnio'r donfedd laser i ryw raddau pan fydd y paramedr dellt grisial ffotonig a yn amrywio rhwng 210 nm a 217 nm (Ffig. 2). Tonfedd allyriadau uchaf y ddyfais 217 nm yw 520.5 nm. mae brig enillion yr haen weithredol tua 505 nm, felly mae'n anoddach cynhyrchu golau laser ar donfeddi hirach, gan arwain at gynnydd yn y trothwy gyda'r cynnydd yn y cysonyn dellt grisial ffotonig.
Mae'r ymchwilwyr hefyd yn adrodd bod rhai dyfeisiau â chysonion dellt grisial ffotonig uchel yn allyrru band gwastad â phatrymau maes pell llinol. Mae'r tîm yn priodoli band gwastad o'r fath i amrywiadau yn y strwythur grisial ffotonig ac i gyfernod cyplu cymharol isel y grisial ffotonig.
Dywedodd yr ymchwilwyr, "Gellir gwella'r effeithlonrwydd trosi electro-optegol trwy optimeiddio'r haen grisial ffotonig a'r haen grisial epitaxial. Ar gyfer crisialau ffotonig, disgwylir cyplu mewn-awyren cryfach ac ymbelydredd fertigol trwy optimeiddio'r geometreg. Dylai'r haen grisial epitaxial cael ei gynllunio i wneud y mwyaf o gryfder y dulliau tywys sylfaenol yn y rhanbarth grisial ffotonig, tra hefyd yn ystyried colli cludwyr chwistrellu heb fod yn goleuo."
Angen dybryd am ymchwil yn y dyfodol yw gwireddu gweithrediad tonnau di-dor.
