Nichia Corporation และมหาวิทยาลัยเกียวโตในญี่ปุ่นรายงานว่าขยายขีดความสามารถของเลเซอร์เปล่งแสงคริสตัลโฟโตนิก (PCSELs) ไปยังแถบสีเขียวของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ [Natsuo Taguchi et al, Appl. ฟิสิกส์ ด่วน v17, p012002, 2024].
นักวิจัยอธิบายถึงการพัฒนา PCSEL สีเขียวว่าเป็น "ดั้งเดิม" เมื่อเทียบกับ PCSEL สีน้ำเงินหรือไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงขอบสีเขียวและไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวในแนวตั้ง อย่างไรก็ตาม ทีมงานหวังว่าอุปกรณ์เหล่านี้จะน่าสนใจสำหรับการใช้งาน เช่น การแปรรูปวัสดุ แสงที่มีความสว่างสูง และจอแสดงผล
โฟโตนิกคริสตัล (พีซี) ใช้โครงสร้างตาข่ายสองมิติของวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันเพื่อควบคุมพฤติกรรมทางแสง นักวิจัยมีความคาดหวังเป็นพิเศษสำหรับ PCSEL ที่จะใช้การควบคุมนี้เพื่อให้ง่ายต่อการบรรลุพฤติกรรมโหมดเดี่ยวที่กำลังเอาต์พุตสูงขึ้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณภาพลำแสง
นักวิจัยให้ความเห็นว่า "ด้วยการใช้ประโยชน์จากเอกภาวะ (เช่น Γ) ของผลึกโฟโตนิก PCSEL จึงสามารถเกิดการแกว่งในโหมดเดี่ยวในแนวตั้งและด้านข้างได้ เช่นเดียวกับลำแสงรังสีที่มีความแตกต่างต่ำที่มีมุมน้อยกว่า 0.2 องศา " นอกจากนี้ PCSEL ยังกระจายพลังงานแสงไปบนปริมาตรตัวสะท้อนที่มากขึ้น ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงความเสียหายทางแสงที่รุนแรง (COD) ที่เกิดจากความหนาแน่นของแสงที่รุนแรง
ผลึกโฟโตนิกถูกสร้างขึ้นในชั้นสัมผัส p-GaN ของวัสดุ epitaxis ของ PCSEL โดยใช้วัสดุตัวเติมของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) แทนที่จะเป็นอากาศ ซึ่งเป็นเรื่องปกติในการศึกษาก่อนหน้านี้ (รูปที่ 1) การเพิ่มชั้นแอคทีฟแล้วสร้างโฟโตนิกคริสตัลทำให้ค่าคงที่ของแลตทิซ (a) ของคริสตัลโฟโตนิกสามารถปรับได้ตามความยาวคลื่นเกนที่วัดได้ของชั้นแอคทีฟของโครงสร้างเอพิแทกเซียล
รูปที่ 1: โครงสร้างของ PCSEL ที่ใช้ GaN ที่มีความยาวคลื่นสีเขียว: (a) ภาพตัดขวางของชิปที่ตัด; ( b ) (บนสุด) ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของคริสตัลโฟโตนิกบนพื้นผิว p-GaN หลังจากถอดอิเล็กโทรด ITO ออก (ล่าง) รูปแบบการออกแบบโฟโตนิกคริสตัลแบบ Dual-lattice
การเติม SiO2 เข้าไปในตาข่ายจะช่วยป้องกันกระแสรั่วไหลไม่ให้ผ่านอนุภาคที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ผนังด้านข้างของรูขัดแตะ ส่งผลให้การควบคุมกระแสมีความเสถียรมากขึ้น และลดกระแสรั่วไหลของปรสิต นอกจากนี้ SiO2 ยังปรับปรุงดัชนีการหักเหของแสงที่มีประสิทธิภาพของชั้นคริสตัลโฟโตนิก ซึ่งทำให้เกิด โหมดนำทางเพื่อเคลื่อนไปทางคริสตัลโฟโตนิกและเพิ่มการเชื่อมต่อกับสนามแสง
ข้อเสียเปรียบประการหนึ่งของการใช้ SiO2 คือจะลดความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงระหว่างคริสตัลโฟโตนิกและ GaN ทำให้ควบคุมคลื่นแสงในระนาบคริสตัลโฟโตนิกได้ยากขึ้น เพื่อชดเชยสิ่งนี้ นักวิจัยได้เพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของรูขัดแตะและใช้โครงสร้างตาข่ายคู่ โดยที่เซลล์หนึ่งหน่วยประกอบด้วยรูขัดแตะสองรูที่ชดเชยด้วย 0.4a ในทิศทาง x และ y นักวิจัยกล่าวว่า "ได้รับการกักขังและการมีเพศสัมพันธ์ในระนาบเพียงพอแม้ว่าดัชนีการหักเหของแสงระหว่าง p-GaN และ SiO2 ที่เติมคริสตัลโฟโตนิกจะต่ำก็ตาม"
กระบวนการสร้างผลึกโฟโตนิกเกี่ยวข้องกับการฝากตัวนำโปร่งใสของอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ไว้บนวัสดุเอพิแทกเซียลกลุ่มไนไตรด์กลุ่ม III จากนั้นจึงเจาะรูขัดแตะของคริสตัลโฟโตนิกด้วยการแกะสลักไอออนปฏิกิริยาพลาสม่าคู่แบบเหนี่ยวนำ (ICP-RIE) จากนั้นจึงเติมเข้าไป ด้วย SiO2 โดยใช้การสะสมไอสารเคมีในพลาสมา (CVD) วัสดุ ITO ถูกลบออกจากโครงสร้าง โดยเหลือบริเวณศูนย์กลางวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 300-µm เป็นอิเล็กโทรด p และคริสตัล p-GaN เป็นอิเล็กโทรด p บริเวณศูนย์กลางวงกลมทำหน้าที่เป็นท่อร้อยสายระหว่าง p-electrode และ p-GaN
นักวิจัยรายงานว่าศูนย์กลางของเสาที่เต็มไปด้วย SiO2- ในคริสตัลโฟโตนิกมีรูอากาศเล็กๆ ตามการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ทีมงานให้ความเห็นว่า "รูปร่างของรูอากาศภายในระนาบคริสตัลโฟโตนิกมีความสม่ำเสมอ ดังนั้นจึงเชื่อว่าการมีรูอากาศไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของ PCSEL"
ก่อนที่จะเสร็จสิ้นกระบวนการผลิตอุปกรณ์ เลเยอร์ n-GaN จะต้องถูกสลักไว้บนโต๊ะ จากนั้น SiO2 จะถูกฝากไว้เพื่อคลุมโต๊ะ (ยกเว้นพื้นที่ ITO ส่วนกลาง) อิเล็กโทรด p และอิเล็กโทรด n สะสมอยู่บนพื้นผิวด้านบนและด้านล่างตามลำดับ และการเคลือบป้องกันแสงสะท้อน (AR) ถูกนำไปใช้กับพื้นที่เอาต์พุตเลเซอร์ทรงกลมด้านล่าง จากนั้นอุปกรณ์ก็ถูกตัดและพลิกลงบนแท่นรองเพื่อวัดประสิทธิภาพ
อุปกรณ์ที่มีค่าคงที่โครงตาข่ายคริสตัลโฟโตนิกที่ 210 นาโนเมตรได้รับกำลังขับสูงสุดประมาณ 50 มิลลิวัตต์ ที่กระแสการฉีด 5 A ทำให้เกิด 500 ns พัลส์ที่ความถี่ซ้ำ 1 kHz ประสิทธิภาพการแปลงแสงด้วยไฟฟ้า (WPE) อยู่ที่ 0.1% ถึงเกณฑ์การไล่ออกที่ความหนาแน่นกระแส 3.89 kA/cm2 ประสิทธิภาพความลาดชันคือ 0.02 W/A เลเซอร์เอาท์พุตถูกโพลาไรซ์เชิงเส้นด้วยอัตราส่วนโพลาไรเซชันที่ 0.8 มุมแตกต่างของรูปแบบสนามไกลแบบวงกลม (FFP) คือ 0.2 องศา ความยาวคลื่นเลเซอร์ 505.7 นาโนเมตร
ความยาวคลื่นเลเซอร์สามารถปรับได้ในระดับหนึ่งเมื่อพารามิเตอร์ขัดแตะคริสตัลโฟโตนิก a มีการเปลี่ยนแปลงระหว่าง 210 นาโนเมตรถึง 217 นาโนเมตร (รูปที่ 2) ความยาวคลื่นการปล่อยสูงสุดของอุปกรณ์ 217 นาโนเมตรคือ 520.5 นาโนเมตร อัตราขยายสูงสุดของชั้นแอคทีฟอยู่ที่ประมาณ 505 นาโนเมตร ดังนั้นจึงยากกว่าที่จะสร้างแสงเลเซอร์ที่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของเกณฑ์ตามการเพิ่มขึ้นของค่าคงที่โครงตาข่ายคริสตัลโฟโตนิก
นักวิจัยยังรายงานด้วยว่าอุปกรณ์บางตัวที่มีค่าคงที่ของโฟโตนิกคริสตัลแลตทิซสูงจะปล่อยการปล่อยแบนด์แบนด์ด้วยรูปแบบสนามไกลเชิงเส้น ทีมงานระบุคุณลักษณะของแบนด์แบนด์ดังกล่าวเนื่องจากความผันผวนของโครงสร้างผลึกโฟโตนิกและค่าสัมประสิทธิ์การเชื่อมต่อที่ค่อนข้างต่ำของคริสตัลโฟโตนิก
นักวิจัยให้ความเห็นว่า "ประสิทธิภาพการแปลงด้วยแสงไฟฟ้าสามารถปรับปรุงได้โดยการปรับชั้นคริสตัลโฟโตนิกและชั้นคริสตัล epitaxis ให้เหมาะสม สำหรับคริสตัลโฟโตนิก คาดว่าจะมีการมีเพศสัมพันธ์ในระนาบที่แข็งแกร่งขึ้นและการแผ่รังสีแนวตั้งโดยการปรับรูปทรงเรขาคณิตให้เหมาะสม ชั้นคริสตัล epitaxis ควร ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งของโหมดนำทางพื้นฐานในพื้นที่คริสตัลโฟโตนิก ขณะเดียวกันก็คำนึงถึงการสูญเสียพาหะที่ฉีดเข้าไปโดยไม่เรืองแสงด้วย”
ความจำเป็นเร่งด่วนสำหรับการวิจัยในอนาคตคือการทำให้เกิดการดำเนินการแบบคลื่นต่อเนื่อง
