Cientistas e engenheiros usaram lasers de semicondutores emissores de superfície em comunicações de dados, para sentir, no FaceID e em óculos de realidade aumentada. Em um novo relatório, Yong-Ho Ra e uma equipe de pesquisa nos departamentos de Engenharia Elétrica e de Computação, e Eletrônica Avançada e Fotônica no Canadá, Coréia e EUA, detalhou a primeira conquista de um todo-epitaxial, refletor Bragg distribuído (DBR) - grátis, laser verde de emissão de superfície eletricamente injetado. Eles otimizaram o dispositivo explorando os modos de borda da banda fotônica formados em matrizes de nanocristais de nitreto de gálio livres de deslocamento, sem usar DBRs convencionais. Eles operaram o dispositivo em aproximadamente 523 nm, com uma corrente de limiar de 400 A / cm ² —Uma ordem de magnitude inferior aos diodos laser azuis relatados anteriormente. Os estudos abriram um novo paradigma para desenvolver baixo limiar, díodos laser de emissão de superfície, variando da região ultravioleta à faixa visível profunda (aproximadamente 200 a 600 nm). Nesta faixa, o desempenho do dispositivo não foi limitado pela falta de DBRs de alta qualidade, grande incompatibilidade de rede, ou disponibilidade de substrato. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .

Os diodos laser de emissão superficial de cavidade vertical (VCSEL) foram apresentados pela primeira vez em 1979; eles emitem um feixe óptico coerente verticalmente da superfície do dispositivo, para oferecer uma série de vantagens em comparação com lasers emissores de borda convencionais. As vantagens incluem limite inferior, feixe de saída circular e de baixa divergência, vida útil mais longa e fácil produção de matrizes densas bidimensionais (2-D). Os VCSELs comerciais podem ser fabricados com arsenieto de gálio (GaAs) e fosfeto de índio (InP) que emitem luz principalmente nos comprimentos de onda do infravermelho próximo. Para lasers operando nas faixas espectrais do visível e ultravioleta, físicos usam semicondutores à base de nitreto de gálio (GaN) como o material de escolha, com esforços substanciais de pesquisa na última década para desenvolver VCSELs baseados em GaN. Contudo, seus comprimentos de onda de operação são em grande parte limitados à faixa espectral azul e, portanto, os pesquisadores ainda estão para projetar totalmente epitaxial, diodos de laser de emissão de superfície operando na região do comprimento de onda verde que são mais sensíveis ao olho.

Um diodo de laser verde de emissão de superfície de onda contínua em temperatura ambiente (CW) relatado anteriormente se baseou em refletores de Bragg distribuídos dielétricos duplos (DBRs) e ligação de água a uma placa de cobre para baixa resistência térmica. Os dispositivos resultantes exibiram uma densidade de corrente de limiar muito grande em temperatura ambiente com os comprimentos de onda de operação limitados a 400 e 460 nm. A capacidade de formar um limite baixo, altamente eficiente, superfície totalmente epitaxial emitindo diodo laser verde permitirá muitas aplicações interessantes no campo, incluindo telas de projeção, como projetores pico, comunicação de fibra óptica de plástico, comunicação sem fio, iluminação inteligente, armazenamento óptico e biossensores.

No presente trabalho, Ra et al. propôs e demonstrou um diodo de laser de emissão de superfície nanocristal (NCSEL), livre de DBRs para funcionar de forma eficiente no espectro verde. O NCSEL consistia em matrizes de nanocristais InGaN / AlGaN (nitreto de índio e gálio / nitreto de alumínio e gálio) de tamanho precisamente controlado, espaçamento e morfologia da superfície. Devido ao relaxamento de tensão eficiente, tais nanoestruturas estavam livres de deslocamentos. Ra et al. incluiu vários discos quânticos InGaN nos planos semipolares da região ativa para reduzir significativamente o efeito austero confinado quântico (QCSE). Para suprimir a recombinação de superfície na configuração, eles formaram uma estrutura única de concha AlGaN em torno da região ativa do NCSEL.

Ra et al. explorou o efeito ressonante de borda de banda fotônica da matriz de nanocristais para demonstrar um diodo de laser verde de emissão de superfície eletricamente injetado, sem usar convencional, DBRs espessos e resistivos. O dispositivo funcionou a 523,1 nm e exibiu uma densidade de corrente de baixo limiar de aproximadamente 400 A / cm ² , com operação altamente estável em temperatura ambiente. Os cientistas confirmaram a oscilação coerente do laser usando o padrão de emissão de campo distante e com medições detalhadas de polarização. O trabalho mostrou uma abordagem prática para obter alto desempenho, diodos de laser de emissão de superfície de UV profundo para o visível profundo, que antes eram difíceis de alcançar.

Na configuração experimental, o InGaN NCSEL continha nanocristais com formato hexagonal dispostos em uma rede triangular. Os pesquisadores realizaram o projeto e simulação, incluindo diagrama de banda de energia e perfil de modo por meio de simulação de método de elementos finitos 2-D. Os nanocristais mantiveram um espaçamento de 30 nm e a constante de rede foi de 250 nm. Para realizar NCSELs, Ra et al. requer controle preciso do tamanho do nanocristal, espaçamento e uniformidade em uma área relativamente grande. Para alcançar tais matrizes de nanocristais, a equipe usou epitaxia de área seletiva via epitaxia de feixe molecular assistida por plasma (MBE). Para reduzir a recombinação da superfície, eles incluíram uma estrutura de shell AlGaN na região ativa.

Eles realizaram caracterização estrutural adicional de nanocristais InGaN usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM). Em seguida, eles prepararam uma seção transversal da amostra usando um sistema de feixe de íons focado para mostrar a imagem de contraste do número atômico de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF) de um nanocristal InGaN representativo. Ra et al. verificou a estrutura piramidal / cone única resultante e a formação de múltiplas heteroestruturas de disco quântico usando análise de padrão de difração de elétrons de área selecionada (SAED) representativa. Para confirmar ainda mais a distribuição elementar da região ativa, a equipe realizou uma análise de espectroscopia de raios-X de dispersão de energia (EDXS), ao longo da direção de crescimento dos discos quânticos InGan / AlGaN.

Os cientistas observaram a presença de uma heteroestrutura núcleo-casca rica em AlGaN usando a análise de pontos EDXS. O invólucro AlGaN formado espontaneamente suprimiu efetivamente a recombinação da superfície não radiativa; que foi um fator limitante primário para o desempenho do dispositivo nanoestrutural. A heteroestrutura semipolar forneceu várias vantagens, incluindo eficiência de emissão de luz melhorada, em comparação com estruturas de pontos / discos quânticos convencionais. A estrutura única não pode ser projetada usando uma abordagem convencional de cima para baixo, uma vez que a região ativa foi predefinida pelo filme fabricado no estudo. A equipe, portanto, projetou diodos InGaN NCSEL usando planarização, passivação de poliimida, contato técnicas de metalização e fotolitografia.

O dispositivo exibiu excelente 4 caráter (corrente-tensão), em parte devido à densidade de defeito significativamente reduzida e inclusão de dopante aprimorada em estruturas de nanocristais. Eles mediram o caráter de eletroluminescência e coletaram a luz emitida da superfície superior do nanocristal. Ra et al. mediu os espectros de eletroluminescência do dispositivo nanocristal sob diferentes correntes de injeção na configuração para observar uma potência de saída significativamente maior, em comparação com os valores anteriores de VCSELs baseados em GaN operando em 460 a 500 nm - os resultados podem ser melhorados ainda mais por meio da otimização do projeto e do método de engenharia.

A posição do pico de lasing permaneceu estável em 523 nm acima do limite para sugerir lasing altamente estável dos lasers de nanocristal núcleo-casca. A densidade de corrente de baixo limiar observada e a emissão altamente estável foram principalmente relacionadas à estrutura nanocristal e à redução da recombinação da superfície não radiativa, com área de emissão estendida na região ativa de concha semelhante a um cone InGaN / AlGaN. Ra et al. também simulou o padrão de radiação de campo distante da estrutura de laser nanocristal usando o método de domínio de tempo de diferença finita 3-D. Os resultados forneceram fortes evidências sobre a obtenção de oscilação de lasing coerente em matrizes de nanocristais InGaN. Os cientistas mediram os espectros de eletroluminescência para demonstrar uma emissão polarizada direcional e extremamente estável, em comparação com dispositivos convencionais de laser de cristal fotônico.

Desta maneira, Yong-Ho Ra e colegas detalharam uma nova geração de diodos emissores de superfície usando nanocristais InGaN de baixo para cima. As principais características incluíam a presença de um limite claro, redução acentuada da largura de linha, padrões distintos de emissão de campo distante e emissão de luz polarizada para fornecer evidências sobre a obtenção de oscilação de lasing coerente. Eles conseguiram isso sem usar espessura, DBRs resistivos e fortemente deslocados em contraste com as técnicas convencionais. A pesquisa pode ser aplicada em todos os comprimentos de onda UV visíveis, bem como médios e profundos para realizar esses lasers em wafers de Si de baixo custo e grandes áreas. Esses resultados abrirão um novo paradigma para projetar e desenvolver diodos de laser de emissão de superfície.

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