Les scientifiques et les ingénieurs ont utilisé des lasers à semi-conducteurs à émission de surface dans les communications de données, pour la détection, dans FaceID et dans les lunettes de réalité augmentée. Dans un nouveau rapport, Yong-Ho Ra et une équipe de recherche dans les départements de génie électrique et informatique, et de l'électronique et de la photonique de pointe au Canada, la Corée et les États-Unis, a détaillé la première réalisation d'un tout épitaxie, sans réflecteur de Bragg distribué (DBR), laser vert à émission de surface à injection électrique. Ils ont optimisé le dispositif en explorant les modes de bord de bande photonique formés dans des réseaux de nanocristaux de nitrure de gallium sans dislocation, sans utiliser les DBR conventionnels. Ils ont fait fonctionner l'appareil à environ 523 nm, avec un courant de seuil de 400 A/cm ² —un ordre de grandeur inférieur aux diodes laser bleues précédemment rapportées. Les études ont ouvert un nouveau paradigme pour développer des seuils bas, diodes laser à émission de surface, allant de la région ultraviolette à la gamme visible profonde (environ 200 à 600 nm). A cette gamme, les performances de l'appareil n'étaient pas limitées par le manque de DBR de haute qualité, grand décalage de réseau, ou la disponibilité du substrat. Les résultats sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques .

Les diodes laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) ont été présentées pour la première fois en 1979; ils émettent un faisceau optique cohérent verticalement depuis la surface du dispositif, pour offrir un certain nombre d'avantages par rapport aux lasers conventionnels à émission latérale. Les avantages comprennent un seuil inférieur, faisceau de sortie circulaire et à faible divergence, durée de vie plus longue et production aisée de matrices denses bidimensionnelles (2D). Les VCSEL commerciaux peuvent être fabriqués sur de l'arséniure de gallium (GaAs) et du phosphure d'indium (InP) qui émettent principalement de la lumière dans les longueurs d'onde du proche infrarouge. Pour les lasers fonctionnant dans les domaines spectraux visible et ultraviolet, les physiciens utilisent des semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) comme matériau de choix, avec des efforts de recherche substantiels au cours de la dernière décennie pour développer des VCSEL à base de GaN. Cependant, leurs longueurs d'onde de fonctionnement sont largement limitées à la gamme spectrale bleue et, par conséquent, les chercheurs n'ont pas encore conçu l'épitaxie, diodes laser à émission de surface fonctionnant dans la région de longueur d'onde verte qui sont les plus sensibles à l'œil.

Une diode laser verte à onde continue (CW) à température ambiante signalée précédemment s'appuyait sur des réflecteurs de Bragg à double diélectrique distribué (DBR) et une liaison à l'eau sur une plaque de cuivre pour une faible résistance thermique. Les dispositifs résultants présentaient une densité de courant seuil très élevée à température ambiante avec des longueurs d'onde de fonctionnement limitées à 400 et 460 nm. La capacité de former un seuil bas, très efficace, la diode laser verte à émission de surface entièrement épitaxiale permettra de nombreuses applications passionnantes dans le domaine, y compris les écrans de projection tels que les pico projecteurs, communication de fibre optique en plastique, Communication sans fil, éclairage intelligent, stockage optique et biocapteurs.

Dans le travail present, Ra et al. proposé et démontré une diode laser à nanocristal à émission de surface (NCSEL), sans DBR pour fonctionner efficacement dans le spectre vert. Le NCSEL était composé de réseaux de nanocristaux InGaN/AlGaN (indium gallium nitrure/aluminium gallium nitrure) de taille contrôlée avec précision, espacement et morphologie de la surface. En raison d'une relaxation efficace des contraintes, ces nanostructures étaient exemptes de dislocations. Ra et al. inclus plusieurs disques quantiques InGaN dans les plans semi-polaires de la région active pour réduire considérablement l'effet de stark confiné quantique (QCSE). Pour supprimer la recombinaison de surface dans la configuration, ils ont formé une structure de coque AlGaN unique autour de la région active du NCSEL.

Ra et al. a exploré l'effet de résonance de bord de bande photonique du réseau de nanocristaux pour démontrer une diode laser verte émettant en surface et injectée électriquement, sans utiliser de conventionnel, DBR épais et résistifs. L'appareil fonctionnait à 523,1 nm et présentait une faible densité de courant de seuil d'environ 400 A/cm ² , avec un fonctionnement très stable à température ambiante. Les scientifiques ont confirmé une oscillation laser cohérente en utilisant un modèle d'émission en champ lointain et des mesures de polarisation détaillées. Le travail a montré une approche pratique pour réaliser des performances élevées, diodes laser à émission de surface de l'UV profond au visible profond, qui étaient auparavant difficiles à réaliser.

Dans le montage expérimental, le NCSEL InGaN contenait des nanocristaux de forme hexagonale disposés en un réseau triangulaire. Les chercheurs ont effectué la conception et la simulation, y compris le diagramme de bande d'énergie et le profil de mode via la simulation par la méthode des éléments finis 2D. Les nanocristaux maintenaient un espacement de 30 nm et la constante de réseau était de 250 nm. Pour réaliser des NCSEL, Ra et al. nécessitait un contrôle précis de la taille des nanocristaux, l'espacement et l'uniformité sur une zone relativement grande. Pour réaliser de tels réseaux de nanocristaux, l'équipe a utilisé l'épitaxie de zone sélective via l'épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma (MBE). Pour réduire la recombinaison de surface, ils comprenaient une structure de coque en AlGaN dans la région active.

Ils ont effectué une caractérisation structurelle supplémentaire des nanocristaux d'InGaN à l'aide de la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM). Ensuite, ils ont préparé une coupe transversale de l'échantillon à l'aide d'un système de faisceau d'ions focalisé pour montrer une image de contraste de numéro atomique à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF) d'un nanocristal InGaN représentatif. Ra et al. vérifié la structure pyramidale/conique unique qui en résulte et la formation de plusieurs hétérostructures de disques quantiques à l'aide d'une analyse de modèle de diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED) représentative. Pour confirmer davantage la distribution élémentaire de la région active, l'équipe a effectué une analyse par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDXS), le long de la direction de croissance des disques quantiques InGan/AlGaN.

Les scientifiques ont observé la présence d'une hétérostructure cœur-coquille en AlGaN riche en Al à l'aide d'une analyse ponctuelle EDXS. L'enveloppe d'AlGaN spontanément formée a supprimé efficacement la recombinaison de surface non radiative ; qui était un facteur limitant principal pour la performance du dispositif nanostructural. L'hétérostructure semi-polaire a fourni plusieurs avantages, notamment une efficacité d'émission lumineuse améliorée, par rapport aux structures conventionnelles de disques/points quantiques. La structure unique n'a pas pu être conçue à l'aide d'une approche descendante conventionnelle puisque la région active a été prédéfinie par le film fabriqué dans l'étude. L'équipe a donc conçu des diodes InGaN NCSEL en utilisant la planarisation, passivation polyimide, techniques de métallisation par contact et de photolithographie.

L'appareil présentait une excellente I-V caractère (courant-tension), en partie en raison de la densité de défauts considérablement réduite et de l'augmentation de l'inclusion de dopants dans les structures nanocristallines. Ils ont mesuré le caractère électroluminescent et collecté la lumière émise par la surface supérieure du nanocristal. Ra et al. mesuré les spectres d'électroluminescence du dispositif à nanocristaux sous différents courants d'injection dans la configuration pour observer une puissance de sortie significativement plus élevée, par rapport aux valeurs précédentes des VCSEL à base de GaN fonctionnant entre 460 et 500 nm, les résultats peuvent être encore améliorés en optimisant la méthode de conception et d'ingénierie.

La position du pic laser est restée stable à 523 nm au-dessus du seuil pour suggérer un laser hautement stable des lasers à nanocristaux cœur-coquille. La densité de courant à faible seuil et l'émission très stable observées étaient principalement liées à la structure nanocristalline et à la recombinaison de surface non radiative réduite, avec une zone d'émission étendue dans la région active de coquille en forme de cône InGaN/AlGaN. Ra et al. a également simulé le diagramme de rayonnement en champ lointain de la structure laser à nanocristaux en utilisant la méthode du domaine temporel des différences finies 3-D. Les résultats ont fourni des preuves solides sur la réalisation d'une oscillation laser cohérente dans des réseaux de nanocristaux InGaN. Les scientifiques ont mesuré les spectres d'électroluminescence pour démontrer une émission polarisée remarquablement stable et directionnelle, par rapport aux dispositifs laser à cristal photonique conventionnels.

De cette façon, Yong-Ho Ra et ses collègues ont détaillé une nouvelle génération de diodes émettrices de surface utilisant des nanocristaux InGaN ascendants. Les caractéristiques clés comprenaient la présence d'un seuil clair, réduction nette de la largeur de ligne, modèles d'émission de champ lointain distincts et émission de lumière polarisée pour fournir des preuves sur la réalisation d'une oscillation laser cohérente. Ils ont accompli cela sans utiliser d'épais, DBR résistifs et fortement disloqués contrairement aux techniques conventionnelles. La recherche peut être appliquée sur l'ensemble des longueurs d'onde UV visibles ainsi que moyennes et profondes pour réaliser de tels lasers sur des plaquettes de silicium à faible coût et de grande surface. Ces résultats ouvriront un nouveau paradigme pour concevoir et développer des diodes laser à émission de surface.

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