Običajni polprevodniški laserji, kot so laserji v votlini Fabry-Pérot (FP), porazdeljeni povratni laserji (DFB) in vertikalni laserji, ki oddajajo površinsko oddajanje (VCSELS), ne morejo hkrati doseči enodelne operacije, visokega izhoda moči in majhnega razhajanja. Vendar fotonski kristalni površinski laserji (PCSELS) uporabljajo BRAGG difrakcijo v dvodimenzionalnih fotonskih kristalih, da dosežejo lasersko izhod z visoko močjo z majhnim kotom razhajanja (slika 1), zaradi česar so ena od vroče teme raziskovanja tako domače kot na mednarodni ravni.
Polprevodniški materiali, ki temeljijo na Gallium nitridu (GAN), imajo neposreden pas, z emisijskimi valovnimi dolžinami, ki segajo v vidni do globokega ultravijoličnega spektra, ki ponuja prednosti, kot sta visoka svetlobna učinkovitost in odlična kemična stabilnost, zaradi česar so primerni za izdelavo PCSEL. PCSEL, ki temeljijo na GAN, imajo obetavne aplikacije na nastajajočih področjih, kot so novi prikazi, materialna obdelava, laserska razsvetljava, podvodna komunikacija, medzvezdna komunikacija, atomske ure čip, raziskovanje globokega prostora, atomski radar in lasersko medicino, ki pritegnejo široko pozornost.
Slika 1. Strukturni diagrami, tipični koti razhajanja na daljnem polju in izhodne spektralne značilnosti laserjev, ki oddajajo FP, dfb laserjev, vcselov in pcselov.
Ekipa profesorja Node na univerzi Kjoto na Japonskem je prvič predlagala koncept PCSELS leta 1999 in poročala o prvem sobno-temperaturnem elektro-injekcijskem ležišču vijoličnega PCSEL-a na osnovi GAN v Science 319, 445 (2008). Nato so v sodelovanju z Japonsko podjetje Stanley leta 2022 in Japonsko podjetje Nichia leta 2024 dodatno razširile emisijsko valovno dolžino PCSEL-jev na pasove modre in zelene svetlobe. Trenutno je samo Japonska dosegla električno injekcijo, ki jo povzročajo emisije PCSEL-jev na osnovi GAN po vsem svetu.
V sodelovanju s ključnim laboratorijem polprevodniških prikaznih materialov in čipov ter laboratorijem Suzhou, ki sta ga ustanovila Suzhou Institute of Nanotechnology in Nanoscience Kitajske akademije znanosti, je bila pred kratkim razvita fotonična kristalna površinska laserja (PCSEL).
The research team first simulated and designed the structure of the GaN-based PCSEL device, then epitaxially grew high-quality GaN-based laser materials, and developed low-damage photonic crystal etching and passivation processes to fabricate the GaN-based PCSEL device, with a photonic crystal area size of 400×400 μm² (Figure 2). Z merjenjem strukture pasu na osnovi GAN v smeri γ-X z uporabo spektroskopije, ločene s kotom (slika 3), je bilo opaziti, da: pri nizkih vbrizgalnih tokovih je struktura pasu jasna, pri čemer ima način C najvišjo intenzivnost; Ko se tok povečuje, se intenzivnost neradiativnega načina B znatno poveča, dokler ne pride do lesanja. Z merjenjem strukture pasu je bilo ugotovljeno, da naprava leži v temeljnem načinu B, s pol širino načina približno 0,05 nm v bližini praga.
Slika 2 (a) Shematski diagram strukture PCSEL na osnovi GaN, (b) strukture fotonskega kristalnega pasu, dobljene iz optičnih preskusov črpanja, in (c) površinske in (d) prerezane skenirajoče elektronske mikroskopske slike fotonskega kristala.
Slika 3. (A-E) Struktura pasu PCSEL na osnovi GAN v smeri γ-X, izmerjena pri različnih vbrizgalnih tokovih, (f) krivulja, ki prikazuje variacijo najvišje valovne dolžine in spektralne polovice širine PCSEL-a z vbrizgavanjem.
Na podlagi zgornjega dela je raziskovalna skupina dosegla sobno-temperaturno električno vbrizgavanje laserja fotonskega kristalnega laserja, ki temelji na GaN (slika 4), z lasing valovno dolžino približno 415 nm, kar je pragovi tok 21,96 A, ki je približno 170 mW, in približno 13,7 KA\/CM. V naslednjem koraku ekipa načrtuje uporabo kakovostnih enokristalnih substratov GAN za oblikovanje nove strukture PCSEL na osnovi GAN in premagovanje izzivov pri izdelavi naprav PCSEL in tehnologiji embalaže\/toplotnega upravljanja, da bi dosegli eno moči (10–100 W) z enim laserjem.
Slika 4. PCSEL na osnovi GAN: (A) Elektroluminiscenčni spektri pri različnih vbrizgalnih tokovih, (b) izhodne optične krivulje, (c) daljnega polja, in (d) pred in (e) po slikah na osnovi GaN PCSEL-a (d) pred in (d).
