Nichia Corporation et l'Université de Kyoto au Japon rapportent étendre les capacités des lasers à cristaux photoniques à émission de surface (PCSEL) à la bande verte du spectre visible [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024].
Les chercheurs décrivent le développement des PCSEL verts comme « primitifs » par rapport aux PCSEL bleus ou aux diodes laser à émission latérale verte et aux diodes laser à émission de surface à cavité verticale. Cependant, l’équipe espère que ces appareils seront intéressants pour des applications telles que le traitement des matériaux, l’éclairage à haute luminosité et les écrans.
Les cristaux photoniques (PC) utilisent une structure de réseau bidimensionnel de matériaux avec différents indices de réfraction pour contrôler le comportement optique. Les chercheurs attendent particulièrement que les PCSEL utilisent ce contrôle pour faciliter l’obtention d’un comportement monomode à des puissances de sortie plus élevées, améliorant ainsi la qualité du faisceau.
Les chercheurs ont commenté : "En exploitant les singularités (par exemple, Γ) des cristaux photoniques, PCSEL réalise des oscillations monomodes verticales et latérales ainsi que des faisceaux de rayonnement à faible divergence avec des angles inférieurs à 0,2 degrés." PCSEL répartit également la puissance optique sur un volume de résonateur plus grand, évitant ainsi les dommages optiques catastrophiques (COD) causés par une densité optique intense.
Des cristaux photoniques ont été formés dans la couche de contact p-GaN du matériau épitaxial PCSEL en utilisant un matériau de remplissage constitué de dioxyde de silicium (SiO2) plutôt que d'air, ce qui était plus courant dans les études précédentes (Fig. 1). La croissance de la couche active puis la création du cristal photonique permettent d'ajuster la constante de réseau (a) du cristal photonique en fonction de la longueur d'onde de gain mesurée de la couche active de la structure épitaxiale.
Figure 1 : Structure du PCSEL à base de GaN avec une longueur d'onde verte : (a) Coupe transversale de la puce coupée ; (b) (en haut) Image au microscope électronique à balayage (MEB) du cristal photonique sur la surface du p-GaN après retrait des électrodes ITO ; (en bas) Schéma de conception de cristaux photoniques à double réseau.
Le remplissage du réseau avec SiO2 empêche le courant de fuite de traverser les particules conductrices sur les parois latérales des trous du réseau, ce qui conduit à un contrôle du courant plus stable et à une réduction des courants de fuite parasites. SiO2 améliore également l'indice de réfraction effectif de la couche de cristal photonique, ce qui provoque le mode de guidage pour se déplacer vers le cristal photonique et améliore le couplage au champ optique.
L’un des inconvénients de l’utilisation du SiO2 est qu’il réduit le contraste d’indice de réfraction entre le cristal photonique et le GaN, ce qui rend plus difficile le contrôle des ondes lumineuses dans le plan du cristal photonique. Pour compenser cela, les chercheurs ont augmenté le diamètre des trous du réseau et ont utilisé une structure à double réseau, dans laquelle une cellule unitaire est constituée de deux trous du réseau décalés de 0.4a dans les directions x et y. Selon les chercheurs, cela a été fait pour "obtenir un confinement et un couplage suffisants dans le plan, même si le contraste d'indice de réfraction entre le p-GaN et le SiO2 remplissant le cristal photonique est faible".
Le processus de formation de cristaux photoniques consiste à déposer un conducteur transparent en oxyde d'indium et d'étain (ITO) sur un matériau épitaxial de nitrure du groupe III, puis à percer les trous du réseau du cristal photonique avec une gravure ionique réactive au plasma à couplage inductif (ICP-RIE), puis à les remplir. avec SiO2 par dépôt chimique en phase vapeur par plasma (CVD). le matériau ITO a été retiré de la structure, laissant une région centrale circulaire de 300- µm de diamètre comme électrode p et le cristal p-GaN comme électrode p. région centrale circulaire servant de conduit entre l'électrode p et le p-GaN.
Les chercheurs rapportent que le centre des piliers remplis de SiO2- dans le cristal photonique contient un petit trou d'air, selon l'imagerie par microscopie électronique à balayage. L'équipe a commenté : « La forme du trou d'air est uniforme dans le plan du cristal photonique et on pense donc que la présence du trou d'air n'affecte pas de manière significative les performances du PCSEL. »
Avant de terminer le processus de fabrication du dispositif, la couche de n-GaN doit être gravée sur table, puis SiO2 est déposé pour recouvrir la table (à l'exception de la zone centrale ITO) ; des électrodes p et des électrodes n sont déposées respectivement sur les surfaces supérieure et inférieure ; et un revêtement antireflet (AR) est appliqué sur la zone de sortie laser circulaire inférieure. Les appareils ont ensuite été découpés et retournés sur un sous-support pour les mesures de performances.
Le dispositif avec une constante de réseau cristallin photonique de 210 nm a atteint une puissance de sortie maximale d'environ 50 mW à un courant d'injection de 5 A générant 500 ns impulsions à une fréquence de répétition de 1 kHz. Son efficacité de conversion électro-optique (WPE) était de 0,1 %. Le seuil laser a été atteint à une densité de courant de 3,89 kA/cm2. L'efficacité de la pente était de 0,02 W/A. Le laser de sortie était polarisé linéairement avec un rapport de polarisation de 0,8. L'angle de divergence du motif circulaire de champ lointain (FFP) était de 0,2 degré. La longueur d'onde du laser était de 505,7 nm.
La longueur d'onde du laser peut être ajustée dans une certaine mesure lorsque le paramètre de réseau cristallin photonique a varie entre 210 nm et 217 nm (Fig. 2). La longueur d'onde d'émission maximale du dispositif à 217 nm est de 520,5 nm. le pic de gain de la couche active est d'environ 505 nm, il est donc plus difficile de produire de la lumière laser à des longueurs d'onde plus longues, ce qui entraîne une augmentation du seuil avec l'augmentation de la constante du réseau cristallin photonique.
Les chercheurs rapportent également que certains dispositifs dotés de constantes de réseau cristallin photonique élevées émettent des lasers à bande plate avec des motifs linéaires en champ lointain. L’équipe attribue un tel laser à bande plate aux fluctuations de la structure du cristal photonique et au coefficient de couplage relativement faible du cristal photonique.
Les chercheurs ont commenté : « L'efficacité de la conversion électro-optique peut être améliorée en optimisant la couche de cristaux photoniques et la couche de cristaux épitaxiaux. Pour les cristaux photoniques, un couplage dans le plan et un rayonnement vertical plus forts sont attendus en optimisant la géométrie. La couche de cristaux épitaxiaux devrait être conçu pour maximiser la force des modes de guidage fondamentaux dans la région des cristaux photoniques, tout en tenant également compte de la perte non luminescente des porteurs injectés.
Un besoin pressant pour les recherches futures est la réalisation du fonctionnement en onde continue.
