לייזר פולט פני השטח גליום ניטריד סגול עם יעילות המרת הספק של יותר מ-20%. קרדיט: Tetsuya Takeuchi / Meijo University
חוקרים יצרו טכניקה חדשה לבקרה מדויקת של אורך החלל בלייזרים פולטי פני שטח המבוססים על GaN.
גליום ניטריד (GaN) לייזרים פולטי משטח אנכיים (VCSELs) הם דיודות לייזר מוליכים למחצה עם יישומים מבטיחים בתחומים שונים, כולל פנסים אדפטיביים, תצוגות סריקה ברשתית, מערכות בדיקת נקודת טיפול ומערכות תקשורת אור גלוי במהירות גבוהה. . היעילות הגבוהה שלהם ועלויות הייצור הנמוכות הופכות אותם למושכים במיוחד עבור יישומים אלה.
GaN-VCSELs מורכבים משתי שכבות של מראות מוליכים למחצה מיוחדים, המכונים מחזירי Bragg מבוזרים (DBR), המופרדות על ידי שכבות מוליכים למחצה GaN פעילות, היוצרות את חלל התהודה האופטי, שבו נוצר אור לייזר. אורכו של חלל תהודה זה חיוני לשליטה באורך גל הלייזר של המטרה, הנקרא אורך גל התהודה.
פיתוח מבני GaN-VCSEL
עד כה פותחו שני סוגים של מבני VCSEL מבוססי GaN: האחד עם DBR דיאלקטרי תחתון והשני עם תחתית אלומיניום אינדיום ניטריד (AlInN)/GaN DBR. שניהם מביאים ל-VSCELs עם יותר מ-20 מיליוואט של הספק תפוקת אור ויעילות של למעלה מ-10% של תקע קיר (WPE). עם זאת, ל-AlInN/GaN DBR יש רוחב פס של אורך גל עצירה צר, המאפשר פליטת אור רק בטווח אורך גל צר מה-VCSELs.
יתרה מכך, שיטת בקרת אורך החלל המסורתית, הכוללת ניסויים מוקדמים בשכבות חלל בדיקה לקביעת קצב הגדילה שלהן, גורמת לשגיאה בין העובי המשוער לעובי הסופי של חלל ה-VCSEL. שגיאה זו עלולה להוביל לאורכי גל תהודה מחוץ לרוחב הפס הצר של ה-AlInN/GaN DBR, מה שמשפיע באופן משמעותי על הביצועים.
חידושים בבקרת אורך חלל
כדי לטפל בבעיה זו, במחקר שנערך לאחרונה, חוקרים מיפן, בראשות פרופסור טטסויה טאקוצ'י מהמחלקה למדע והנדסת חומרים באוניברסיטת Meijo, פיתחו מחקר חדש באתרו שיטת בקרת אורך חלל עבור חלל אופטי VCSEL מבוסס GaN. על ידי שליטה מדויקת בצמיחה של שכבות GaN באמצעות באתרו מדידות ספקטרום רפלקטיביות, החוקרים השיגו בקרת אורך חלל מדויקת עם סטייה של 0.5% בלבד מאורך הגל התהודה של המטרה. כעת, הם הרחיבו עוד יותר את הטכניקה החדשנית הזו והדגימו בקרת אורך חלל של VSCEL שלם.
פרופ' טאקוצ'י מסביר: "החלל של VCSEL מכיל לא רק שכבות GaN אלא גם אלקטרודת אינדיום בדיל אוקסיד (ITO) וניוביום פנטוקסיד (Nb)2O5) שכבת מרווח, שאינה ניתנת לשליטה עם אותה מערכת מדידת ספקטרום רפלקטיביות באתר. במחקר זה, פיתחנו טכניקה לכייל במדויק את העובי של שכבות נוספות אלו, וכתוצאה מכך VCSELs יעילים ביותר." המחקר שלהם פורסם בכרך 124, גיליון 13 של כתב העת מכתבי פיזיקה שימושית.
טכניקות כיול לשכבות נוספות
כדי לכייל את עובי השכבות הנוספות, החוקרים הפקידו תחילה את האלקטרודות של ITO ו-Nb2O5 שכבות מרווחים בעוביים משתנים על מבני בדיקת GaN שגודלו באמצעות באתרו בקרת חלל. בהתחשב בכך שה באתרו לא ניתן להשתמש במדידת רפלקטיביות עבור שכבות נוספות אלה, הם העריכו ישירות את אורך גל התהודה של מבני חלל בדיקה אלה באמצעות ממקום למקום מדידת ספקטרום רפלקטיביות. אורכי הגל התהודה שהתקבלו הועברו לאדום, כלומר אורכי הגל הוגדלו עם עלייה בעובי של ITO ו-Nb2O5 שכבות.
לאחר מכן, החוקרים מיפו את שינויי אורך גל התהודה כפונקציה של ITO ו-Nb2O5 עובי שכבות, קבלת מידע מדויק על העובי האופטי שלהם. הם השתמשו במידע הזה כדי לכייל במדויק את העובי של ה-ITO וה-Nb2O5 שכבות לעבר אורך גל התהודה VCSEL היעד. הסטייה של בקרת אורך גל תהודה כתוצאה משיטה זו הייתה נמוכה מספיק, בתוך 3%, בהשוואה ל- באתרו שיטת בקרה מבחינת עובי אופטי.
לבסוף, החוקרים ייצרו GaN-VCSELs עם גדלי צמצמים הנעים בין 5 ל-20 מיקרומטר על ידי יישום אלקטרודות ITO מכווננות ו-Nb2O5 שכבות מרווח לתוך חלל VCSEL שגדלו באמצעות באתרו בקרת חלל. אורך הגל שיא הפליטה של VCSELs אלה הייתה סטייה של 0.1% בלבד מאורך גל התהודה המתוכנן. יש לציין, הודות לבקרת אורך החלל המדויקת, צמצם VCSEL של 5-מיקרומטר השיג WPE של 21.1%, מה שמסמן הישג משמעותי.
"בדיוק כמו שקנה מידה מדויק מאוד מאפשר בנייה של מדפים מפורטים, השימוש המדויק בבקרת עובי במקום של שכבות GaN בשילוב עם כיול עובי של אלקטרודות ITO ו-Nb2O5 שכבות spacer מאפשרות ייצור מבוקר מאוד של VCSELs, המייצגות כלי רב עוצמה להשגת VCSELs מבוססי GaN בעלי ביצועים גבוהים וניתנים לשחזור גבוה עבור התקנים אופטו-אלקטרוניים יעילים ביותר", מסכם פרופ' Takeuchi, ומדגיש את חשיבות הממצאים הללו.
