日亜化学工業と日本の京都大学は、フォトニック結晶面発光レーザー (PCSEL) の機能を可視スペクトルの緑色帯域まで拡張したと報告しています。 物理学。 Express、v17、p012002、2024]。
研究者らは、青色 PCSEL や緑色端面発光レーザー ダイオードや垂直共振器型面発光レーザー ダイオードと比較して、緑色 PCSEL の開発は「原始的」であると説明しています。 しかし、チームは、これらのデバイスが材料処理、高輝度照明、ディスプレイなどの用途にとって魅力的であることを期待しています。
フォトニック結晶 (PC) は、異なる屈折率を持つ材料の 2 次元格子構造を使用して光学的動作を制御します。 研究者らは、PCSEL がこの制御を使用して、より高い出力パワーでシングルモード動作を容易に達成できるようになり、それによってビーム品質が向上することを特に期待しています。
研究者らは、「フォトニック結晶の特異点（Γなど）を利用することで、PCSELは垂直方向および横方向のシングルモード発振と、0.2度未満の角度の低発散放射ビームを実現する」とコメントした。 また、PCSEL は光パワーをより大きな共振器体積に分散させるため、強い光学密度によって引き起こされる壊滅的な光損傷 (COD) を回避します。
フォトニック結晶は、以前の研究では一般的であった空気ではなく二酸化ケイ素（SiO2）の充填材を使用して、PCSELエピタキシャル材料のp-GaNコンタクト層に形成されました（図1）。 活性層を成長させてフォトニック結晶を作成すると、測定されたエピタキシャル構造の活性層の利得波長に応じてフォトニック結晶の格子定数（ａ）を調整することができる。
図 1: 緑色波長の GaN ベース PCSEL の構造: (a) 切断されたチップの断面図。 (b) (上) ITO 電極を除去した後の p-GaN 表面上のフォトニック結晶の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像。 (下) 二重格子フォトニック結晶の設計スキーム。
格子を SiO2 で埋めると、漏れ電流が格子穴の側壁の導電性粒子を通過するのが防止され、電流制御がより安定し、寄生漏れ電流が減少します。また、SiO2 はフォトニック結晶層の実効屈折率も改善します。ガイドモードはフォトニック結晶に向かって移動し、光場への結合を強化します。
SiO2 を使用する場合の 1 つの欠点は、フォトニック結晶と GaN の間の屈折率コントラストが減少し、フォトニック結晶面での光波の制御がより困難になることです。 これを補うために、研究者らは格子穴の直径を大きくし、x 方向と y 方向に 0.4a だけオフセットされた 2 つの格子穴で単位セルが構成される二重格子構造を使用しました。 研究者らは、これは「フォトニック結晶を充填するp-GaNとSiO2の間の屈折率コントラストが低い場合でも、十分な面内閉じ込めと結合を得る」ために行われたと述べた。
フォトニック結晶の形成プロセスでは、III族窒化物エピタキシャル材料上に酸化インジウムスズ（ITO）の透明導電体を成膜し、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ICP-RIE）でフォトニック結晶の格子穴を開け、埋め込みます。プラズマ化学気相成長法 (CVD) を使用して SiO2 を使用します。 ITO 材料が構造から除去され、p 電極として直径 300- μm の円形の中心領域が残り、p 電極として p-GaN 結晶が残ります。 円形の中央領域は、p 電極と p-GaN の間の導管として機能します。
研究者らは、走査電子顕微鏡画像によると、フォトニック結晶内の SiO{0}} で満たされた柱の中心には小さな空孔があると報告しています。 研究チームは「空孔の形状はフォトニック結晶面内で均一であるため、空孔の存在がPCSELの性能に大きな影響を与えることはないと考えられる」とコメントしている。
デバイスの製造プロセスを完了する前に、n-GaN 層をテーブルエッチングし、次にテーブルを覆うように SiO2 を堆積する必要があります (中央の ITO 領域を除く)。 p 電極と n 電極はそれぞれ上面と底面に堆積されます。 底部の円形レーザー出力領域には反射防止 (AR) コーティングが施されています。 次に、デバイスを切断し、性能測定のためにサブマウント上に裏返しました。
フォトニック結晶格子定数210 nmのデバイスは、500 nsを生成する5Aの注入電流で約50 mWの最大出力を達成しました。 1 kHz の繰り返し周波数のパルス。 その電気光変換効率 (WPE) は 0.1% でした。 電流密度 3.89 kA/cm2 で発振閾値に達しました。 スロープ効率は０．０２Ｗ／Ａであった。 出力レーザーは偏光比 0.8 で直線偏光でした。 円形遠視野パターン (FFP) の発散角は 0.2 度でした。 レーザー波長は505.7nmでした。
フォトニック結晶格子パラメータaを210nmから217nmの間で変化させると、レーザー波長をある程度調整できます(図2)。 217 nm デバイスの最大発光波長は 520.5 nm です。 活性層の利得ピークは約505nmであるため、より長い波長でレーザー光を生成することはより困難であり、フォトニック結晶格子定数の増加に伴いしきい値が増加します。
研究者らはまた、高いフォトニック結晶格子定数を備えた一部のデバイスは、線形のファーフィールドパターンを備えたフラットバンドレーザー光を発することも報告している。 研究チームは、このようなフラットバンド発振はフォトニック結晶構造の変動と、フォトニック結晶の結合係数が比較的低いことに起因すると考えている。
研究者らは、「フォトニック結晶層とエピタキシャル結晶層を最適化することで、電気光変換効率を向上させることができる。フォトニック結晶では、形状を最適化することでより強い面内結合と垂直放射が期待できる。エピタキシャル結晶層は、注入キャリアの非発光損失も考慮しながら、フォトニック結晶領域の基本導波モードの強度を最大化するように設計する必要があります。」
将来の研究にとって緊急の必要性は、連続波動作の実現です。
