Scienziati e ingegneri hanno utilizzato laser a semiconduttore ad emissione di superficie nelle comunicazioni di dati, per il rilevamento, in FaceID e all'interno di occhiali per realtà aumentata. In un nuovo rapporto, Yong-Ho Ra e un gruppo di ricerca nei dipartimenti di Ingegneria Elettrica e Informatica, ed elettronica avanzata e fotonica in Canada, Corea e Stati Uniti, dettagliato il primo raggiungimento di un tutto epitassiale, riflettore di Bragg distribuito (DBR) esente, laser verde a emissione superficiale iniettato elettricamente. Hanno ottimizzato il dispositivo esplorando le modalità del bordo della banda fotonica formate in matrici di nanocristalli di nitruro di gallio prive di dislocazione, senza utilizzare DBR convenzionali. Hanno operato il dispositivo a circa 523 nm, con una corrente di soglia di 400 A/cm ² —un ordine di grandezza inferiore rispetto ai diodi laser blu precedentemente riportati. Gli studi hanno aperto un nuovo paradigma per lo sviluppo a bassa soglia, diodi laser emettitori di superficie, che vanno dalla regione dell'ultravioletto al visibile profondo (da circa 200 a 600 nm). A questo intervallo, le prestazioni del dispositivo non erano limitate dalla mancanza di DBR di alta qualità, grande disallineamento del reticolo, o disponibilità del substrato. I risultati sono ora pubblicati su Progressi scientifici .

I diodi laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) sono stati presentati per la prima volta nel 1979; emettono un raggio ottico coerente verticalmente dalla superficie del dispositivo, per offrire una serie di vantaggi rispetto ai laser a emissione di bordi convenzionali. I vantaggi includono soglia più bassa, fascio di uscita circolare e a bassa divergenza, durata maggiore e facile produzione di array bidimensionali (2D) densi. I VCSEL commerciali possono essere fabbricati su arseniuro di gallio (GaAs) e fosfuro di indio (InP) che emettono principalmente luce all'interno delle lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Per i laser che operano nelle gamme spettrali del visibile e dell'ultravioletto, i fisici usano semiconduttori a base di nitruro di gallio (GaN) come materiale di scelta, con notevoli sforzi di ricerca nell'ultimo decennio per sviluppare VCSEL basati su GaN. Però, le loro lunghezze d'onda operative sono in gran parte limitate alla gamma spettrale del blu e quindi i ricercatori devono ancora progettare tutto epitassiale, diodi laser ad emissione superficiale che operano nella regione della lunghezza d'onda verde più sensibile all'occhio.

Un diodo laser verde a emissione di superficie ad onda continua (CW) a temperatura ambiente precedentemente riportato si basava su riflettori di Bragg distribuiti (DBR) a doppio dielettrico e legame ad acqua su una piastra di rame per una bassa resistenza termica. I dispositivi risultanti hanno mostrato una densità di corrente di soglia molto grande a temperatura ambiente con lunghezze d'onda operative limitate a 400 e 460 nm. La capacità di formare una soglia bassa, altamente efficiente, Il diodo laser verde che emette una superficie completamente epitassiale consentirà molte interessanti applicazioni nel campo, inclusi schermi di proiezione come pico proiettori, comunicazione in fibra ottica di plastica, comunicazone wireless, illuminazione intelligente, memoria ottica e biosensori.

Nel presente lavoro, Ra et al. proposto e dimostrato un diodo laser a emissione superficiale di nanocristalli (NCSEL), privo di DBR per funzionare in modo efficiente nello spettro verde. L'NCSEL consisteva in array di nanocristalli InGaN/AlGaN (nitruro di indio gallio/nitruro di gallio alluminio) di dimensioni precisamente controllate, spaziatura e morfologia superficiale. Grazie all'efficace rilassamento della tensione, tali nanostrutture erano prive di dislocazioni. Ra et al. incluso più dischi quantistici InGaN nei piani semipolari della regione attiva per ridurre significativamente l'effetto stark confinato quantistico (QCSE). Per sopprimere la ricombinazione della superficie nell'impostazione, hanno formato un'unica struttura a guscio di AlGaN attorno alla regione attiva dell'NCSEL.

Ra et al. esplorato l'effetto risonante del bordo della banda fotonica dell'array di nanocristalli per dimostrare un diodo laser verde a emissione superficiale iniettato elettricamente, senza usare il convenzionale, DBR spessi e resistivi. Il dispositivo ha funzionato a 523,1 nm e ha mostrato una bassa densità di corrente di soglia di circa 400 A/cm ² , con funzionamento altamente stabile a temperatura ambiente. Gli scienziati hanno confermato l'oscillazione laser coerente utilizzando un modello di emissione in campo lontano e con misurazioni dettagliate della polarizzazione. Il lavoro ha mostrato un approccio pratico per realizzare alte prestazioni, diodi laser ad emissione superficiale dall'UV profondo al visibile profondo, che prima erano difficili da raggiungere.

Nella configurazione sperimentale, l'InGaN NCSEL conteneva nanocristalli di forma esagonale disposti in un reticolo triangolare. I ricercatori hanno eseguito la progettazione e la simulazione, incluso diagramma delle bande di energia e profilo modale tramite simulazione del metodo degli elementi finiti 2-D. I nanocristalli hanno mantenuto una spaziatura di 30 nm e la costante reticolare è stata di 250 nm. Per realizzare NCSEL, Ra et al. richiesto un controllo preciso della dimensione del nanocristallo, spaziatura e uniformità su un'area relativamente ampia. Per ottenere tali array di nanocristalli, il team ha utilizzato l'epitassia selettiva dell'area tramite l'epitassia a fascio molecolare (MBE) assistita da plasma. Per ridurre la ricombinazione superficiale, includevano una struttura a guscio di AlGaN nella regione attiva.

Hanno eseguito un'ulteriore caratterizzazione strutturale dei nanocristalli di InGaN utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM). Quindi hanno preparato una sezione trasversale del campione utilizzando un sistema a fascio ionico focalizzato per mostrare l'immagine di contrasto del numero atomico del campo oscuro anulare ad alto angolo (HAADF) di un nanocristallo InGaN rappresentativo. Ra et al. ha verificato la struttura piramidale/conica unica risultante e la formazione di eterostrutture multiple di dischi quantistici utilizzando l'analisi del modello di diffrazione elettronica dell'area selezionata (SAED) rappresentativa. Per confermare ulteriormente la distribuzione elementare della regione attiva, il team ha eseguito un'analisi di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDXS), lungo la direzione di crescita dei dischi quantistici InGan/AlGaN.

Gli scienziati hanno osservato la presenza di un'eterostruttura nucleo-guscio di AlGaN ricco di Al utilizzando l'analisi dei punti EDXS. Il guscio di AlGaN formato spontaneamente ha efficacemente soppresso la ricombinazione superficiale non radiativa; che era un fattore limitante primario per le prestazioni del dispositivo nanostrutturale. L'eterostruttura semipolare ha fornito numerosi vantaggi tra cui una migliore efficienza di emissione della luce, rispetto alle tradizionali strutture quantistiche di dischi/punti. La struttura unica non può essere progettata utilizzando un approccio top-down convenzionale poiché la regione attiva è stata predefinita dal film fabbricato nello studio. Il team ha quindi progettato i diodi InGaN NCSEL utilizzando la planarizzazione, passivazione poliimmidica, tecniche di metallizzazione a contatto e fotolitografia.

Il dispositivo ha mostrato eccellente IV carattere (corrente-tensione), in parte a causa della densità dei difetti significativamente ridotta e della maggiore inclusione di droganti all'interno delle strutture di nanocristalli. Hanno misurato il carattere dell'elettroluminescenza e raccolto la luce emessa dalla superficie superiore del nanocristallo. Ra et al. misurato gli spettri di elettroluminescenza del dispositivo a nanocristalli sotto diverse correnti di iniezione nella configurazione per osservare una potenza di uscita significativamente maggiore, rispetto ai valori precedenti dei VCSEL basati su GaN operanti da 460 a 500 nm, i risultati possono essere ulteriormente migliorati ottimizzando il metodo di progettazione e ingegnerizzazione.

La posizione del picco laser è rimasta stabile a 523 nm sopra la soglia per suggerire un laser altamente stabile dei laser a nanocristalli core-shell. La densità di corrente a bassa soglia osservata e l'emissione altamente stabile erano principalmente correlate alla struttura dei nanocristalli e alla ridotta ricombinazione superficiale non radiativa, con area di emissione estesa nella regione attiva del guscio a forma di cono di InGaN/AlGaN. Ra et al. ha anche simulato il diagramma di radiazione in campo lontano della struttura laser a nanocristalli utilizzando il metodo 3-D nel dominio del tempo alle differenze finite. I risultati hanno fornito una forte evidenza sul raggiungimento di un'oscillazione laser coerente negli array di nanocristalli InGaN. Gli scienziati hanno misurato gli spettri dell'elettroluminescenza per dimostrare un'emissione polarizzata notevolmente stabile e direzionale, rispetto ai dispositivi laser a cristalli fotonici convenzionali.

In questo modo, Yong-Ho Ra e colleghi hanno descritto una nuova generazione di diodi emettitori di superficie utilizzando nanocristalli InGaN dal basso verso l'alto. Le caratteristiche chiave includevano la presenza di una soglia chiara, forte riduzione della larghezza di linea, modelli di emissione a campo lontano distinti ed emissione di luce polarizzata per fornire prove sul raggiungimento di un'oscillazione laser coerente. Ci sono riusciti senza usare spessi, DBR resistivi e fortemente dislocati in contrasto con le tecniche convenzionali. La ricerca può essere applicata a tutte le lunghezze d'onda UV visibili, medie e profonde per realizzare tali laser su wafer di Si a basso costo e di ampia area. Questi risultati apriranno un nuovo paradigma per progettare e sviluppare diodi laser ad emissione superficiale.

© 2020 Scienza X Rete