Los científicos e ingenieros han utilizado láseres semiconductores emisores de superficie en las comunicaciones de datos, para detectar, en FaceID y dentro de las gafas de realidad aumentada. En un nuevo informe, Yong-Ho Ra y un equipo de investigación en los departamentos de Ingeniería Eléctrica e Informática, y electrónica avanzada y fotónica en Canadá, Corea y EE. UU., detalló el primer logro de un todo-epitaxial, reflector Bragg distribuido (DBR) -free, láser verde de emisión superficial inyectado eléctricamente. Optimizaron el dispositivo explorando los modos de borde de la banda fotónica formados en matrices de nanocristales de nitruro de galio sin dislocaciones. sin utilizar DBR convencionales. Operaron el dispositivo a aproximadamente 523 nm, con una corriente de umbral de 400 A / cm ² —Un orden de magnitud más bajo que los diodos láser azul reportados anteriormente. Los estudios abrieron un nuevo paradigma para desarrollar bajo umbral, diodos láser emisores de superficie, que van desde la región ultravioleta hasta el rango visible profundo (aproximadamente 200 a 600 nm). En este rango, el rendimiento del dispositivo no se vio limitado por la falta de DBR de alta calidad, gran desajuste de celosía, o disponibilidad de sustrato. Los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia .

Los diodos de láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) se presentaron por primera vez en 1979; emiten un haz óptico coherente verticalmente desde la superficie del dispositivo, para ofrecer una serie de ventajas en comparación con los láseres de emisión de borde convencionales. Las ventajas incluyen un umbral más bajo, haz de salida circular y de baja divergencia, mayor vida útil y fácil producción de matrices densas bidimensionales (2-D). Los VCSEL comerciales se pueden fabricar con arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de indio (InP) que, en su mayoría, emiten luz dentro de las longitudes de onda del infrarrojo cercano. Para láseres que operan en los rangos espectrales visible y ultravioleta, los físicos utilizan semiconductores a base de nitruro de galio (GaN) como material de elección, con importantes esfuerzos de investigación en la última década para desarrollar VCSEL basados ​​en GaN. Sin embargo, sus longitudes de onda de funcionamiento se limitan en gran medida al rango espectral azul y, por lo tanto, los investigadores aún tienen que diseñar todo epitaxial, diodos láser emisores de superficie que operan en la región de longitud de onda verde que son más sensibles al ojo.

Un diodo láser verde emisor de superficie de onda continua (CW) a temperatura ambiente reportado anteriormente se basó en reflectores Bragg distribuidos con dieléctrico dual (DBR) y unión de agua a una placa de cobre para una baja resistencia térmica. Los dispositivos resultantes exhibieron una densidad de corriente de umbral muy grande a temperatura ambiente con las longitudes de onda de funcionamiento limitadas a 400 y 460 nm. La capacidad de formar un umbral bajo, altamente eficiente, El diodo láser verde emisor de superficie totalmente epitaxial permitirá muchas aplicaciones interesantes en el campo, incluyendo pantallas de proyección como picoproyectores, comunicación de fibra óptica de plástico, Comunicación inalámbrica, iluminación inteligente, almacenamiento óptico y biosensores.

En el presente trabajo, Ra et al. propuso y demostró un diodo láser emisor de superficie de nanocristales (NCSEL), libre de DBR para funcionar de manera eficiente en el espectro verde. El NCSEL consistió en matrices de nanocristales de InGaN / AlGaN (nitruro de galio indio / nitruro de galio y aluminio) de tamaño controlado con precisión, espaciamiento y morfología de la superficie. Debido a la eficaz relajación de la cepa, tales nanoestructuras estaban libres de dislocaciones. Ra et al. incluyó múltiples discos cuánticos de InGaN en los planos semipolares de la región activa para reducir significativamente el efecto rígido confinado cuántico (QCSE). Para suprimir la recombinación de superficies en la configuración, formaron una estructura de capa única de AlGaN alrededor de la región activa del NCSEL.

Ra et al. exploró el efecto resonante del borde de la banda fotónica de la matriz de nanocristales para demostrar un diodo láser verde emisor de superficie inyectado eléctricamente, sin usar convencional, DBR gruesos y resistivos. El dispositivo funcionó a 523,1 nm y exhibió una densidad de corriente de umbral bajo de aproximadamente 400 A / cm ² , con un funcionamiento muy estable a temperatura ambiente. Los científicos confirmaron una oscilación láser coherente utilizando un patrón de emisión de campo lejano y con mediciones de polarización detalladas. El trabajo mostró un enfoque práctico para lograr un alto rendimiento, diodos láser emisores de superficie desde UV profundo hasta visible profundo, que antes eran difíciles de lograr.

En la configuración experimental, el InGaN NCSEL contenía nanocristales de forma hexagonal dispuestos en una red triangular. Los investigadores realizaron el diseño y la simulación, incluido el diagrama de bandas de energía y el perfil de modo a través de la simulación del método de elementos finitos 2-D. Los nanocristales mantuvieron un espaciado de 30 nm y la constante de red fue de 250 nm. Para realizar NCSEL, Ra et al. requirió un control preciso del tamaño de los nanocristales, espaciado y uniformidad en un área relativamente grande. Para lograr tales matrices de nanocristales, el equipo utilizó epitaxia de área selectiva a través de epitaxia de haz molecular asistida por plasma (MBE). Para reducir la recombinación de superficies, incluyeron una estructura de capa AlGaN en la región activa.

Realizaron una caracterización estructural adicional de nanocristales de InGaN utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM). Luego prepararon una sección transversal de la muestra utilizando un sistema de haz de iones enfocado para mostrar una imagen de contraste de número atómico de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF) de un nanocristal de InGaN representativo. Ra et al. verificó la estructura piramidal / cónica única resultante y la formación de múltiples heteroestructuras de disco cuántico utilizando un análisis de patrón de difracción de electrones de área seleccionada (SAED) representativo. Para confirmar aún más la distribución elemental de la región activa, el equipo realizó un análisis de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDXS), a lo largo de la dirección de crecimiento de los discos cuánticos InGan / AlGaN.

Los científicos observaron la presencia de una heteroestructura núcleo-capa de AlGaN rica en Al utilizando un análisis de puntos EDXS. La capa de AlGaN formada espontáneamente suprimió eficazmente la recombinación de la superficie no radiativa; que fue un factor limitante principal para el rendimiento del dispositivo nanoestructural. La heteroestructura semipolar proporcionó varias ventajas, incluida una mayor eficiencia de emisión de luz, en comparación con las estructuras de puntos / discos cuánticos convencionales. La estructura única no se pudo diseñar utilizando un enfoque convencional de arriba hacia abajo, ya que la región activa estaba predefinida por la película fabricada en el estudio. Por lo tanto, el equipo diseñó diodos InGaN NCSEL utilizando planarización, pasivación de poliimida, técnicas de metalización por contacto y fotolitografía.

El dispositivo exhibió una excelente I-V carácter (corriente-voltaje), en parte debido a una densidad de defectos significativamente reducida y una mayor inclusión de dopantes dentro de las estructuras de nanocristales. Midieron el carácter de electroluminiscencia y recogieron la luz emitida desde la superficie superior del nanocristal. Ra et al. midió los espectros de electroluminiscencia del dispositivo de nanocristales bajo diferentes corrientes de inyección en la configuración para observar una potencia de salida significativamente mayor, en comparación con los valores anteriores de VCSEL basados ​​en GaN que operan entre 460 y 500 nm, los resultados pueden mejorarse aún más optimizando el método de diseño e ingeniería.

La posición del pico de láser se mantuvo estable a 523 nm por encima del umbral para sugerir un láser altamente estable de los láseres de nanocristales de núcleo-capa. La densidad de corriente de umbral bajo observada y la emisión altamente estable se relacionaron principalmente con la estructura de nanocristales y la recombinación superficial no radiativa reducida. con área de emisión extendida en la región activa de capa cónica de InGaN / AlGaN. Ra et al. también simuló el patrón de radiación de campo lejano de la estructura del láser de nanocristales utilizando el método de dominio de tiempo de diferencia finita 3-D. Los resultados proporcionaron pruebas sólidas sobre el logro de una oscilación láser coherente en matrices de nanocristales de InGaN. Los científicos midieron los espectros de electroluminiscencia para demostrar una emisión polarizada direccional y notablemente estable. en comparación con los dispositivos láser de cristal fotónico convencionales.

De este modo, Yong-Ho Ra y sus colegas detallaron una nueva generación de diodos emisores de superficie que utilizan nanocristales InGaN ascendentes. Las características clave incluyeron la presencia de un umbral claro, reducción brusca del ancho de línea, patrones de emisión de campo lejano distintos y emisión de luz polarizada para proporcionar evidencia sobre el logro de una oscilación láser coherente. Lo lograron sin usar grueso, DBR resistivos y fuertemente dislocados en contraste con las técnicas convencionales. La investigación se puede aplicar en todas las longitudes de onda UV visible, media y profunda para realizar este tipo de láseres en obleas de Si de gran área y bajo costo. Estos resultados abrirán un nuevo paradigma para diseñar y desarrollar diodos láser emisores de superficie.

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