En elektrisk pumpet overflade-emitterende grøn halvlederlaser

Forskere og ingeniører har brugt overflade-emitterende halvlederlasere i datakommunikation, til sansning, i FaceID og inden for augmented reality-briller. I en ny rapport, Yong-Ho Ra og et forskerhold i afdelingerne for elektro- og computerteknik, og avanceret elektronik og fotonik i Canada, Korea og USA, detaljerede den første præstation af en hel-epitaksial, distribueret Bragg-reflektor (DBR)-fri, elektrisk indsprøjtet overflade-emitterende grøn laser. De optimerede enheden ved at udforske de fotoniske båndkanttilstande dannet i dislokationsfri galliumnitrid nanokrystalarrays, uden at bruge konventionelle DBR'er. De drev enheden ved cirka 523 nm, med en tærskelstrøm på 400 A/cm ² -en størrelsesorden lavere end tidligere rapporterede blå laserdioder. Studierne åbnede et nyt paradigme for at udvikle lavtærskel, overflade-emitterende laserdioder, spænder fra det ultraviolette område til det dybe synlige område (ca. 200 til 600 nm). På dette område, enhedens ydeevne var ikke begrænset af manglen på højkvalitets DBR'er, stor gitter uoverensstemmelse, eller tilgængelighed af substrat. Resultaterne er nu offentliggjort på Videnskabens fremskridt .

Vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL) dioder blev først præsenteret i 1979; de udsender en sammenhængende optisk stråle lodret fra enhedens overflade, at tilbyde en række fordele sammenlignet med konventionelle kant-emitterende lasere. Fordelene inkluderer lavere tærskel, cirkulær og lav divergens udgangsstråle, længere levetid og nem produktion af tætte todimensionelle (2-D) arrays. Kommercielle VCSEL'er kan fremstilles på galliumarsenid (GaAs) og indiumphosphid (InP), der for det meste udsender lys inden for de nær-infrarøde bølgelængder. For lasere, der opererer i det synlige og ultraviolette spektralområde, fysikere bruger galliumnitrid (GaN)-baserede halvledere som det foretrukne materiale, med en betydelig forskningsindsats i det seneste årti for at udvikle GaN-baserede VCSEL'er. Imidlertid, deres operationsbølgelængder er stort set begrænset til det blå spektralområde, og derfor mangler forskerne endnu at konstruere al-epitaksial, overflade-emitterende laserdioder, der opererer i det grønne bølgelængdeområde, som er mest følsomme over for øjet.

En tidligere rapporteret overflade-emitterende grøn laserdiode ved stuetemperatur kontinuerlig bølge (CW) var afhængig af dobbelte dielektriske distribuerede Bragg-reflektorer (DBR'er) og vandbinding til en kobberplade for lav termisk modstand. De resulterende enheder udviste en meget stor tærskelstrømtæthed ved stuetemperatur med operationsbølgelængderne begrænset til 400 og 460 nm. Evnen til at danne en lavtærskel, meget effektiv, hel-epitaksial overflade-emitterende grøn laserdiode vil tillade mange spændende applikationer i marken, inklusive projektionsskærme såsom pico-projektorer, plast optisk fiber kommunikation, trådløs kommunikation, smart belysning, optisk lagring og biosensorer.

I nærværende arbejde, Ra et al. foreslået og demonstreret en nanokrystal overflade-emitterende laser (NCSEL) diode, fri for DBR'er for at fungere effektivt i det grønne spektrum. NCSEL bestod af InGaN/AlGaN (indiumgalliumnitrid/aluminiumgalliumnitrid) nanokrystalarrays af præcist kontrolleret størrelse, mellemrum og overflademorfologi. På grund af effektiv belastningsafspænding, sådanne nanostrukturer var fri for dislokationer. Ra et al. inkluderet flere InGaN kvantediske i de semipolære planer i den aktive region for at reducere den kvantebegrænsede skarpe effekt (QCSE). For at undertrykke overfladerekombination i opsætningen, de dannede en unik AlGaN-skalstruktur omkring den aktive region af NCSEL.

Ra et al. udforsket den fotoniske båndkantresonanseffekt af nanokrystalarrayet for at demonstrere en elektrisk injiceret overflade-emitterende grøn laserdiode, uden at bruge konventionelle, tykke og resistive DBR'er. Enheden fungerede ved 523,1 nm og udviste en lav tærskelstrømtæthed på ca. 400 A/cm ² , med meget stabil drift ved stuetemperatur. Forskerne bekræftede kohærent laseroscillation ved hjælp af fjernfeltsemissionsmønster og med detaljerede polarisationsmålinger. Arbejdet viste en praktisk tilgang til at realisere højtydende, overflade-emitterende laserdioder fra dyb UV til det dybe synlige, som tidligere var svære at opnå.

I forsøgsopstillingen, InGaN NCSEL indeholdt nanokrystaller med en sekskantet form arrangeret i et trekantet gitter. Forskerne udførte designet og simuleringen, inklusive energibånddiagram og tilstandsprofil via 2-D finite-element metodesimulering. Nanokrystallerne opretholdt en afstand på 30 nm, og gitterkonstanten var 250 nm. For at realisere NCSEL'er, Ra et al. krævede præcis kontrol af nanokrystalstørrelsen, afstand og ensartethed over et relativt stort område. For at opnå sådanne nanokrystal-arrays, holdet brugte selektiv områdeepitaksi via plasma-assisteret molekylær stråleepitaksi (MBE). For at reducere overfladerekombination, de inkluderede en AlGaN-skalstruktur i den aktive region.

De udførte yderligere strukturel karakterisering af InGaN nanokrystaller ved hjælp af scanning transmission elektronmikroskopi (STEM). Derefter forberedte de et tværsnit af prøven ved hjælp af et fokuseret ionstrålesystem for at vise højvinklet ringformet mørkfelt (HAADF) atomnummerkontrastbillede af et repræsentativt InGaN nanokrystal. Ra et al. verificeret den resulterende unikke pyramideformede/keglestruktur og dannelse af multiple kvantedisk-heterostrukturer ved hjælp af repræsentativ udvalgt-område elektrondiffraktion (SAED) mønsteranalyse. For yderligere at bekræfte elementær fordeling af den aktive region, holdet udførte en energidispersiv røntgenspektroskopi (EDXS) analyse, langs vækstretningen af ​​InGan/AlGaN kvanteskiver.

Forskerne observerede tilstedeværelsen af ​​en Al-rig AlGaN-kerne-skal-heterostruktur ved hjælp af EDXS-punktanalyse. Den spontant dannede AlGaN-skal undertrykte effektivt ikke-strålende overfladerekombination; hvilket var en primær begrænsende faktor for den nanostrukturelle enheds ydeevne. Den semipolære heterostruktur gav flere fordele, herunder forbedret lysemissionseffektivitet, sammenlignet med konventionelle kvanteskive/prikstrukturer. Den unikke struktur kunne ikke konstrueres ved hjælp af en konventionel top-down tilgang, da den aktive region var foruddefineret af filmen fremstillet i undersøgelsen. Holdet konstruerede derfor InGaN NCSEL dioder ved hjælp af planarisering, polyimid passivering, kontakt metallisering og fotolitografi teknikker.

Enheden udviste fremragende I-V (strømspænding) karakter, dels på grund af væsentligt reduceret defekttæthed og forbedret inklusion af dopingstoffer i nanokrystalstrukturer. De målte elektroluminescenskarakteren og opsamlede det udsendte lys fra nanokrystallens topflade. Ra et al. målte elektroluminescensspektrene for nanokrystalanordningen under forskellige injektionsstrømme i opsætningen for at observere en væsentlig højere udgangseffekt, sammenlignet med tidligere værdier af GaN-baserede VCSEL'er, der opererer ved 460 til 500 nm - resultaterne kan forbedres yderligere ved at optimere design- og ingeniørmetoden.

Laserspidspositionen forblev stabil ved 523 nm over tærskelværdien for at foreslå meget stabil lasering af kerne-skal nanokrystallaserne. Den observerede lavtærskelstrømtæthed og meget stabile emission var hovedsageligt relateret til nanokrystalstrukturen og reduceret ikke-strålingsoverfladerekombination, med udvidet emissionsområde i det InGaN/AlGaN-keglelignende skalaktive område. Ra et al. simulerede også fjernfeltsstrålingsmønsteret af nanokrystallaserstrukturen ved hjælp af 3-D finite-difference tidsdomænemetoden. Resultaterne gav stærke beviser på at opnå kohærent laseroscillation i InGaN nanokrystalarrays. Forskerne målte elektroluminescensspektrene for at påvise bemærkelsesværdigt stabil og retningsbestemt polariseret emission, sammenlignet med konventionelle fotoniske krystallaserapparater.

På denne måde Yong-Ho Ra og kolleger detaljerede en ny generation af overflade-emitterende dioder ved hjælp af bottom-up InGaN nanokrystaller. Nøglekarakteristika omfattede tilstedeværelsen af ​​en klar tærskel, kraftig reduktion af linjebredden, distinkte fjernfeltsemissionsmønstre og polariseret lysemission for at give bevis for opnåelse af kohærent laseroscillation. De opnåede dette uden at bruge tykke, resistive og stærkt dislokerede DBR'er i modsætning til konventionelle teknikker. Forskningen kan anvendes på tværs af hele synlige såvel som mellem- og dybe UV-bølgelængder for at realisere sådanne lasere på billige og store Si-wafere. Disse resultater vil åbne et nyt paradigme til at designe og udvikle overflade-emitterende laserdioder.

© 2020 Science X Network