أعلنت شركة Nichia Corporation وجامعة كيوتو في اليابان عن توسيع قدرات أجهزة الليزر الضوئية الباعثة لسطح الكريستال (PCSELs) إلى النطاق الأخضر من الطيف المرئي [Natsuo Taguchi et al, Appl. فيز. إكسبرس، الإصدار 17، ص 012002، 2024].
يصف الباحثون تطوير PCSELs الخضراء بأنها "بدائية" مقارنة بـ PCSELs الزرقاء أو صمامات الليزر الثنائية الباعثة للحافة الخضراء وثنائيات الليزر الباعثة للسطح ذات التجويف الرأسي. ومع ذلك، يأمل الفريق أن تكون هذه الأجهزة جذابة لتطبيقات مثل معالجة المواد، والإضاءة عالية السطوع، وشاشات العرض.
تستخدم البلورات الضوئية (PCs) بنية شبكية ثنائية الأبعاد من المواد ذات مؤشرات انكسار مختلفة للتحكم في السلوك البصري. يتوقع الباحثون بشكل خاص أن تستخدم PCSELs عنصر التحكم هذا لتسهيل تحقيق سلوك الوضع الفردي عند قوى خرج أعلى، وبالتالي تحسين جودة الشعاع.
وعلق الباحثون قائلين: "من خلال استغلال التفردات (على سبيل المثال، Γ) للبلورات الضوئية، يحقق PCSEL تذبذبات أحادية الوضع رأسيًا وجانبيًا بالإضافة إلى حزم إشعاع منخفضة التباعد بزوايا أقل من 0.2 درجة." يقوم PCSEL أيضًا بتوزيع الطاقة الضوئية على حجم مرنان أكبر، وبالتالي تجنب الضرر البصري الكارثي (COD) الناجم عن الكثافة البصرية الشديدة.
تم تشكيل البلورات الضوئية في طبقة التلامس p-GaN من المادة الفوقي PCSEL باستخدام مادة حشو من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) بدلاً من الهواء، والذي كان أكثر شيوعًا في الدراسات السابقة (الشكل 1). إن تنمية الطبقة النشطة ثم إنشاء البلورة الضوئية يسمح بتعديل ثابت الشبكة (أ) للبلورة الضوئية وفقًا لطول موجة الكسب المقاس للطبقة النشطة للبنية الفوقي.
الشكل 1: هيكل PCSEL القائم على GaN مع الطول الموجي الأخضر: (أ) المقطع العرضي للرقاقة المقطوعة؛ (ب) (أعلى) صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للبلورة الضوئية على سطح p-GaN بعد إزالة أقطاب ITO؛ (أسفل) مخطط تصميم كريستال فوتوني مزدوج الشبكة.
يؤدي ملء الشبكة بـ SiO2 إلى منع تيار التسرب من المرور عبر الجسيمات الموصلة على الجدران الجانبية لفتحات الشبكة، مما يؤدي إلى تحكم أكثر استقرارًا في التيار وتقليل تيارات التسرب الطفيلية. كما يعمل SiO2 على تحسين معامل الانكسار الفعال للطبقة البلورية الضوئية، مما يتسبب في وضع التوجيه للتحرك نحو البلورة الضوئية ويعزز الاقتران بالمجال البصري.
أحد عيوب استخدام SiO2 هو أنه يقلل من تباين معامل الانكسار بين البلورة الضوئية وGN، مما يزيد من صعوبة التحكم في موجات الضوء في المستوى البلوري الضوئي. للتعويض عن ذلك، قام الباحثون بزيادة قطر فتحات الشبكة واستخدموا بنية شبكية مزدوجة، حيث تتكون خلية الوحدة من فتحتين شبكيتين يقابلهما 0.4a في الاتجاهين x وy. وقال الباحثون إن ذلك تم "للحصول على ما يكفي من الحبس والاقتران داخل الطائرة حتى لو كان تباين معامل الانكسار بين p-GaN وSiO2 الذي يملأ البلورة الضوئية منخفضًا".
تتضمن عملية تكوين البلورة الضوئية ترسيب موصل شفاف من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) على مادة فوق نيتريد المجموعة الثالثة، ثم حفر ثقوب الشبكة في البلورة الضوئية باستخدام النقش الأيوني التفاعلي بالبلازما المقترنة حثيًا (ICP-RIE)، ثم ملئها. مع SiO2 باستخدام ترسيب البخار الكيميائي للبلازما (CVD). تمت إزالة مادة ITO من الهيكل، مما ترك منطقة مركزية دائرية يبلغ قطرها 300- ميكرومتر مثل القطب p وبلورة p-GaN مثل القطب p. منطقة المركز الدائرية تعمل كقناة بين القطب p و p-GaN.
أفاد الباحثون أن مركز الأعمدة المملوءة بأكسيد SiO2- في البلورة الضوئية يحتوي على فتحة هواء صغيرة، وفقًا للتصوير بالمجهر الإلكتروني الماسح. وعلق الفريق قائلاً: "إن شكل فتحة الهواء موحد داخل المستوى البلوري الضوئي، وبالتالي يُعتقد أن وجود فتحة الهواء لا يؤثر بشكل كبير على أداء PCSEL".
قبل إكمال عملية تصنيع الجهاز، يجب أن تكون طبقة n-GaN محفورة على الطاولة ثم يتم ترسيب SiO2 لتغطية الطاولة (باستثناء منطقة ITO المركزية)؛ يتم ترسيب الأقطاب الكهربائية p والأقطاب الكهربائية n على الأسطح العلوية والسفلية، على التوالي؛ ويتم تطبيق طلاء مضاد للانعكاس (AR) على منطقة إخراج الليزر الدائرية السفلية. تم بعد ذلك قطع الأجهزة وقلبها على حامل فرعي لقياسات الأداء.
حقق الجهاز الذي يحتوي على ثابت شعرية بلورية ضوئية يبلغ 210 نانومتر طاقة خرج قصوى تبلغ حوالي 50 ميجاوات عند تيار حقن قدره 5 أمبير يولد 500 نانوثانية نبضات بتردد تكرار قدره 1 كيلو هرتز. بلغت كفاءة التحويل الكهروضوئي (WPE) 0.1%. تم الوصول إلى عتبة الليزر بكثافة حالية تبلغ 3.89 كيلو أمبير / سم 2. كانت كفاءة المنحدر 0.02 واط / أ. تم استقطاب الليزر الناتج خطيًا بنسبة استقطاب قدرها 0.8. وكانت زاوية الاختلاف لنمط المجال البعيد الدائري (FFP) 0.2 درجة. كان الطول الموجي لليزر 505.7 نانومتر.
يمكن ضبط الطول الموجي لليزر إلى حد ما عندما تتراوح معلمة الشبكة البلورية الضوئية a بين 210 نانومتر و217 نانومتر (الشكل 2). الحد الأقصى لطول موجة الانبعاث لجهاز 217 نانومتر هو 520.5 نانومتر. تبلغ ذروة الكسب للطبقة النشطة حوالي 505 نانومتر، لذلك يكون من الصعب إنتاج ضوء الليزر بأطوال موجية أطول، مما يؤدي إلى زيادة العتبة مع زيادة ثابت الشبكة البلورية الضوئية.
أفاد الباحثون أيضًا أن بعض الأجهزة ذات ثوابت الشبكة البلورية الضوئية العالية تبعث أشعة ليزر مسطحة بأنماط خطية بعيدة المدى. يعزو الفريق هذا الليزر ذو النطاق المسطح إلى التقلبات في بنية البلورة الضوئية وإلى معامل الاقتران المنخفض نسبيًا للبلورة الضوئية.
وعلق الباحثون قائلاً: "يمكن تحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي من خلال تحسين الطبقة البلورية الضوئية والطبقة البلورية الفوقية. بالنسبة للبلورات الضوئية، من المتوقع وجود اقتران أقوى داخل المستوى وإشعاع عمودي من خلال تحسين الشكل الهندسي. يجب أن تكون الطبقة البلورية الفوقية تم تصميمها لتعظيم قوة أوضاع التوجيه الأساسية في المنطقة البلورية الضوئية، مع الأخذ في الاعتبار أيضًا الفقد غير الإنارة للناقلات المحقونة."
هناك حاجة ملحة للبحث المستقبلي وهي تحقيق عملية الموجة المستمرة.
