Láseres ultravioleta emisores de superficie de umbral ultrabajo con nanocables semiconductores

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6633 (2023) Citar este artículo

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Los láseres de semiconductores de emisión superficial (SE) han cambiado nuestra vida cotidiana de varias maneras, como la comunicación y la detección. La expansión de la longitud de onda de operación de los láseres semiconductores SE a un rango de longitud de onda ultravioleta (UV) más corto amplía aún más las aplicaciones de desinfección, diagnóstico médico, fototerapia, etc. No obstante, la realización de láseres SE en el rango UV sigue siendo un desafío. A pesar del reciente avance en los láseres UV SE con nitruro de aluminio y galio (AlGaN), los láseres UV de nanocables de AlGaN inyectados eléctricamente se basan en cavidades ópticas aleatorias, mientras que los láseres SE de cavidad vertical AlGaN UV (VCSEL) son todos a través de bombeo óptico y son todos con grandes densidades de potencia de umbral de láser en el rango de varios cientos de kW/cm2 a MW/cm2. En este documento, informamos de umbral ultrabajo, láser SE en el rango espectral UV con cristales fotónicos de nanocables epitaxiales basados en GaN. Se mide el láser a 367 nm, con un umbral de solo alrededor de 7 kW/cm2 (~ 49 μJ/cm2), un factor de reducción de 100 veces en comparación con los VCSEL UV de AlGaN convencionales informados anteriormente en longitudes de onda de láser similares. Este es también el primer logro de los láseres SE de cristal fotónico de nanocables en el rango UV. Además, dado el excelente dopaje eléctrico que ya se ha establecido en los nanocables de nitruro III, este trabajo ofrece un camino viable para el desarrollo de los láseres UV SE semiconductores largamente buscados.

Los láseres semiconductores SE son importantes para una variedad de campos como la fotónica, las tecnologías de la información y la comunicación y las ciencias biomédicas1,2,3,4,5,6. En comparación con los láseres emisores de borde, los láseres SE ofrecen una serie de ventajas, como la divergencia del haz bajo, el patrón circular de campo lejano, la velocidad de modulación rápida, la capacidad de integración bidimensional, etc.5, 7. Durante décadas de desarrollo, el arseniuro de galio ( Los láseres SE de infrarrojo cercano (IR) basados en GaAs se han convertido en una industria de miles de millones de dólares, afectando tanto la comunicación de datos como la detección 3D, como el reconocimiento facial y las imágenes de tiempo de vuelo8,9,10,11,12. Desafortunadamente, el éxito de los láseres SE en el IR cercano no se ve en los rangos espectrales visibles y UV más cortos. Por ejemplo, a pesar del progreso alentador en los láseres SE azul y verde basados en GaN en los últimos años, aún no han alcanzado el mismo nivel de madurez que sus contrapartes en el IR cercano4, 10, 13, 14, 15, 16,17,18,19,20,21,22,23. En el rango UV, la situación es aún más rezagada. Ninguna de las tecnologías existentes puede satisfacer las necesidades de aplicación práctica. El avance en el desarrollo del láser UV SE es fundamental para una variedad de aplicaciones relacionadas con nuestra vida cotidiana, incluida la desinfección, el diagnóstico médico, la fototerapia, el curado y la impresión 3D de alta resolución24, 25.

En la actualidad, si bien existen muchos esfuerzos para desarrollar láseres UV SE con otros sistemas de materiales, como semiconductores orgánicos y óxido de zinc (ZnO), así como otras tecnologías fotónicas, como el acoplamiento de ópticas no lineales a VCSEL basados en GaAs en el infrarrojo cercano, p. , Refs.26,27,28,29,30,31. AlGaN ha recibido un gran interés por el desarrollo del láser UV SE debido a una serie de ventajas, como energías de banda prohibida directa, ultraancha y sintonizable, químicamente estable, mecánicamente fuerte, altamente compacto, etc. No obstante, los láseres UV SE de nanocables de AlGaN inyectados eléctricamente que se han demostrado hasta ahora se basan en cavidades ópticas aleatorias32,33,34,35, mientras que los VCSEL de UV de AlGaN se realizan mediante bombeo óptico y tienen grandes densidades de potencia de umbral de láser8, 11, 36,37 ,38,39,40,41,42,43,44,45. Por ejemplo, la densidad de potencia umbral para láser sub-280 nm es de 1,2 MW/cm239, e incluso para láser a una longitud de onda más larga (p. ej., cerca de 400 nm), la densidad de potencia umbral está en el rango de alrededor de 200–400 kW/cm211 , 40. En este documento, demostramos el láser SE de umbral ultrabajo en el rango espectral UV utilizando estructuras de cristal fotónico de nanocables epitaxiales (epi-NPC) basadas en GaN, que no solo pueden superar los inconvenientes de las cavidades ópticas aleatorias con nanocables autoorganizados, sino también mitigar en gran medida los desafíos en los VCSEL UV de AlGaN convencionales. El láser UV SE que se muestra en este estudio es de 367 nm con un umbral de solo 7 kW/cm2, una reducción de 100 veces en comparación con los VCSEL UV de AlGaN convencionales. El uso de láseres SE basados en cristales fotónicos también puede potencialmente ofrecer un modo único uniforme en un área grande y otros beneficios como el haz bajo demanda12.

En la Fig. 1a se muestra una ilustración esquemática del concepto del dispositivo, que utiliza GaN epi-NPC dispuesto en una red cuadrada para la formación de la cavidad óptica para lograr el láser SE. El uso de celosía cuadrada es favorable para el láser monomodo, así como para realizar varias funcionalidades, por ejemplo, Refs.12, 46. También se muestra una ilustración de la propagación del haz de luz en el plano y la difracción en la dirección normal que forma el láser SE. el recuadro de la Fig. 1a. La Figura 1b muestra la vista superior de dicho NPC, con dos direcciones específicas Γ-X y Γ-M etiquetadas. Para GaN, la emisión de luz en el borde de la banda es de alrededor de 364 nm47. Por lo tanto, diseñamos una estructura NPC que puede formar una cavidad para soportar el láser alrededor de esta longitud de onda. La Figura 1c muestra la estructura de banda fotónica transversa-magnética (TM) bidimensional (2D) utilizando el paquete de óptica de ondas y espacio 2D en COMSOL Multiphysics, con una constante de red (a, distancia de centro a centro) de 200 nm y un diámetro de nanocable ( dNW) de 173 nm. La línea de puntos representa la frecuencia reducida (a/λ). En general, en los bordes de la banda fotónica, la velocidad del grupo de luz se vuelve cero, es decir, dω/dk → 0, por lo que se pueden formar ondas estacionarias y se puede lograr el láser utilizando esa luz lenta, debido a un tiempo de interacción significativamente mejorado entre el campo de radiación y ganancia media 19, 21, 22. En la Fig. 1c, se ve que la frecuencia reducida se alinea con los bordes de la banda en el punto Γ con a/λ ~ 0,545, lo que sugiere la formación de una onda estacionaria y un posible efecto láser (si la ganancia es mayor que la pérdida) en este punto, con λ ~ 367 nm. Además, en el punto Γ, el haz de luz también puede difractarse normal al plano del cristal fotónico, formando un láser SE12, 46, 48, 49, 50. La Figura 1d muestra además el perfil de modo (|E|2) de la estructura NPC diseñada, simulada utilizando el método tridimensional (3D) de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD). Se ve que se observa una intensidad de modo fuerte en el NPC. En la simulación FDTD, los nanocables con los mismos parámetros de diseño mencionados anteriormente se colocaron en una red cuadrada sobre un sustrato de GaN. Una fuente de dipolo TM con una longitud de onda central de 367 nm se colocó en el centro de la matriz de nanocables. La dimensión lateral para la simulación fue de 6 μm × 6 μm, y se utilizó la condición de límite de capa perfectamente adaptada (PML).

( a ) Esquema del láser UV SE usando GaN epi-NPC. Recuadro: propagación de la luz en el plano y difracción normal al plano. (b) Vista superior de la estructura NPC, con dos direcciones específicas Γ-X y Γ-M etiquetadas. ( c ) Bandas fotónicas de la estructura NPC con a = 200 nm y dNW = 173 nm. La línea de puntos rojos indica que la frecuencia reducida corresponde a λ ~ 367 nm. (d) El perfil de campo eléctrico (|E|2) del modo de borde de banda calculado por el método 3D FDTD.

Experimentalmente, la estructura de NPC se formó en un sustrato de GaN sobre zafiro estampado usando epitaxia de haz molecular (MBE). Para formar el patrón, primero se depositó Ti de 10 nm utilizando un evaporador de haz de electrones, seguido de litografía de haz de electrones (EBL) y grabado de iones reactivos (RIE) para crear nanoagujeros con diferentes diámetros (a = 200 nm) dispuestos en un cuadrado. enrejado. Para formar el NPC, se siguió un proceso de dos pasos. El sustrato con diseño de Ti se nitruró primero a 400 °C en la cámara de crecimiento MBE, para evitar el agrietamiento y la degradación a temperaturas elevadas. A esto le siguió el crecimiento de los nanocables de GaN. La condición de crecimiento incluía una temperatura del sustrato (Tsub) de 865 °C, un caudal de nitrógeno de 0,9 sccm y un flujo de Ga de 2,5 × 10−7 Torr. El análisis detallado de las condiciones de crecimiento se puede encontrar en otros lugares51.

La dimensión del NPC crecido fue de 75 μm × 75 μm, con bordes paralelos a los bordes de la oblea que tenía un tamaño de 1 cm × 1 cm. En la Fig. S1a se muestra una imagen óptica de la matriz. En la Fig. 2a se muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) del NPC. La imagen SEM se tomó con un ángulo de inclinación de 45° utilizando un SEM de emisión de campo (FE). Se ve que los nanohilos son muy uniformes. Un examen detallado confirma además que los nanocables tienen una uniformidad similar a gran escala. Las imágenes SEM a gran escala se muestran en la Fig. S1b-d. Las estadísticas sobre el diámetro de los nanocables se llevaron a cabo utilizando imágenes SEM, lo que da un dNW promedio de 173,2 nm y una desviación estándar de 4,4 nm (esta barra de error podría estar limitada en gran medida por el proceso EBL). Como tal, se obtiene experimentalmente un NPC de área grande que está cerca del diseño (con respecto al diámetro del nanocable).

(a) Una imagen SEM de vista inclinada de la estructura NPC (la matriz de láser). (b) Los espectros RTPL de las matrices láser y no láser. La imagen SEM de la matriz no láser se puede encontrar en Supp. información

La Figura 2b muestra el espectro de fotoluminiscencia (PL) a temperatura ambiente (RT) recopilado de la superficie superior de la estructura NPC (denominada "matriz de láser"), excitada por un láser de pulso de 213 nm (ancho de pulso: 7 ns; tasa de repetición: 200 Hz) bajo una densidad de potencia máxima de 63,5 kW/cm2. La luz láser se enfocó en la superficie de la muestra a través de una lente de enfoque (tamaño del punto: ~ 9 × 10–4 cm2), y la luz emitida también se recogió de la superficie de la muestra usando una lente de enfoque (NA ~ 0,31), que se acoplado a una fibra óptica y un espectrómetro UV (QE Pro, resolución espectral ~ 0,3 nm). También se muestra en la Fig. 2b el espectro PL de una matriz de a = 600 nm y dNW = 325 nm (indicada como "matriz sin láser") medida en las mismas condiciones. La imagen SEM de la matriz sin láser se muestra en la Fig. S2a. La estructura de la banda fotónica de la matriz sin láser también se calculó y se muestra en la Fig. S2b. Se encuentra que la frecuencia reducida a/λ (λ = 367 nm) no se correlaciona con ningún modo de borde de banda, lo que sugiere la ausencia de amplificación de luz. Esto es consistente con lo que se muestra en la Fig. 2b: mientras que se mide una fuerte emisión de PL desde el conjunto de láser con un ancho de línea estrecho, la emisión de PL del conjunto sin láser es mucho más débil (más o menos reducida por un factor de 10) con el ancho de línea sigue siendo amplio (una mitad máxima de ancho completo de ~ 15 nm). Además, la posición del pico de PL de la matriz no láser es de alrededor de 364 nm, en consonancia con la emisión de borde de banda de GaN; mientras que para la matriz de láser, el pico PL se desplaza a una longitud de onda más larga, debido a la cavidad óptica.

Las mediciones detalladas confirman aún más el logro de un láser SE de umbral ultrabajo. En la Fig. 3a se muestran los espectros de emisión de luz bajo diferentes densidades de excitación. Se ve que a medida que aumenta la densidad de excitación, los espectros se vuelven más estrechos, acompañados de un rápido aumento de la intensidad de la luz. Esta tendencia se muestra más claramente en la curva L-L (luz apagada versus luz adentro) en la Fig. 3b, con un umbral claro de alrededor de 7 kW/cm2. El láser se confirma aún más al examinar la curva L-L en una escala logarítmica. Como se muestra en la Fig. 3c, se observa una clara forma de S, correspondiente a la emisión espontánea (lineal), la emisión espontánea amplificada (superlineal) y la emisión de láser (lineal), siendo la evidencia confirmatoria de la emisión de láser32,33, 34.

(En el sentido de las agujas del reloj) (a) Los espectros de emisión de luz de la estructura NPC bajo diferentes potencias de excitación. La intensidad de la luz frente a la densidad de potencia máxima en una escala lineal (b) y en una escala logarítmica (c). ( d ) Ancho de línea (símbolos abiertos) y la posición máxima de emisión de luz (símbolos rellenos) versus la densidad de potencia máxima. Las líneas discontinuas son una guía para los ojos.

Se observa además que, en este estudio, la intensidad de la luz láser recolectada desde el costado es solo ~ 1/30 en comparación con la recolectada desde la parte superior, lo que sugiere que la emisión de luz domina la superficie. Las discusiones detalladas se pueden encontrar en Supp. información Texto S3. En este estudio, también hemos medido los espectros PL de la plantilla de GaN sobre zafiro y GaN sobre zafiro con máscara de Ti. Los resultados se describen en Supp. información Texto S4. Brevemente, solo se mide un PL débil a partir de GaN sobre zafiro con máscara de Ti, lo que sugiere que la emisión de luz medida desde las matrices sin láser y con láser proviene de los nanocables de GaN que crecen en la parte superior. Esto también confirma que el láser se debe a la emisión de luz del NPC. También se observa que, como el arreglo láser y el arreglo no láser tienen la misma altura, se descarta que el láser se deba a la formación de una cavidad de Fabry-Perot (FP).

El factor de acoplamiento de emisión espontánea β se estimó aún más utilizando la relación de intensidad de la emisión espontánea frente a la emisión de láser, como lo indican las líneas discontinuas en la Fig. 3c. Se puede derivar un factor β de alrededor de 0,08. Este factor β es comparable a los láseres SE de cristal fotónico informados anteriormente y es mayor en comparación con los valores informados en los VCSEL UV de AlGaN convencionales, debido al acoplamiento de fotones eficiente en una cavidad de cristal fotónico8, 11, 14, 23. La Figura 3d muestra el ancho de línea y la longitud de onda máxima en función de la potencia de excitación. Se observa una clara reducción del ancho de línea cerca del umbral. El ancho de línea relativamente amplio podría estar relacionado con múltiples modos de láser. Además, también se ve que después del umbral, la longitud de onda máxima casi no cambia, lo que sugiere una longitud de onda de emisión láser casi estable.

La polarización en el plano en el punto Γ se investiga al final. En este sentido, la emisión de luz se recolectó desde la parte superior del dispositivo con un polarizador insertado en el camino de recolección de luz, mientras que el extremo de bombeo es similar al descrito anteriormente para los resultados que se muestran en las Figs. 2 y 3. El extremo de recolección se muestra esquemáticamente en la Fig. 4a: se coloca un polarizador Glan-Taylor en el camino de recolección de luz y también se etiqueta el ángulo φ en el plano. Aquí, φ = 0° significa que el campo eléctrico está a lo largo del eje de transmisión del polarizador. En la Fig. 4b, se ve que la intensidad de la luz en φ = 0° es aproximadamente 10 veces más fuerte en comparación con la intensidad de la luz en φ = 90°, lo que sugiere que la luz emitida está altamente polarizada en el plano en el punto Γ. La Figura 4c muestra además la intensidad de la luz en varios ángulos φ. Si se define la relación de polarización (grado de polarización) ρ = (Imax − Imin)/(Imax + Imin), se obtiene un valor de ρ de alrededor de 0,8, lo que sugiere un alto grado de polarización en el plano. Anteriormente se informó un comportamiento de polarización similar de los láseres SE de cristal fotónico basados en InGaN.

(a) El esquema de la medición de polarización en el plano en el punto Γ. (b) Emisión de luz polarizada del NPC en φ = 0° y φ = 90°. ( c ) Gráfico de la intensidad de la luz medida desde el NPC en diferentes ángulos en el plano φ. La densidad de excitación fue de 63,5 kW/cm2.

La Figura 5 muestra el gráfico de comparación del umbral de emisión láser logrado en este estudio frente a los umbrales de emisión láser de los VCSEL UV de AlGaN convencionales informados anteriormente en diferentes longitudes de onda. Se ve que, para los VCSEL UV de AlGaN convencionales, el umbral de emisión de láser está en el rango de varios cientos de kW/cm2 a MW/cm2, y el umbral de emisión de láser aumenta a medida que la longitud de onda del láser se vuelve más corta, como lo indica la línea discontinua. Para la emisión de láser a longitudes de onda similares a la longitud de onda del presente estudio, el umbral es de alrededor de 0,7 a 1 MW/cm2. Por el contrario, el umbral de emisión de láser en el presente estudio es de solo alrededor de 7 kW/cm2.

Comparación de la densidad de potencia umbral (Pth) del láser: los láseres AlGaN UV VCSEL convencionales informados anteriormente frente a los láseres NPC UV SE en este estudio. La línea discontinua es una guía para los ojos.

Para los VCSEL UV de AlGaN convencionales, los principales desafíos radican en la dificultad de obtener espejos reflectores de Bragg distribuidos (DBR) de alta calidad (principalmente limitados por la calidad del material debido a grandes desajustes de red), la dificultad de obtener AlGaN de baja resistividad debido a la dopaje eléctrico deficiente (principalmente de tipo p) y la complejidad en el proceso de fabricación del dispositivo, por ejemplo, Refs.8, 11. El uso de cristales fotónicos de nanocables epitaxiales puede mitigar en gran medida estos desafíos. Por ejemplo, se ha demostrado que los nanocables de abajo hacia arriba pueden mejorar la calidad del material debido a la relajación eficiente de la tensión en el área de superficie grande, por ejemplo, Refs.47, 52, 53. Además, al explotar los modos de borde de banda de Los cristales fotónicos para láser pueden evitar los problemáticos espejos DBR para la formación de cavidades. Esto contribuye en gran medida al láser UV SE de umbral ultrabajo logrado en este estudio, en comparación con los VCSEL UV de AlGaN convencionales.

Otra razón importante para lograr el láser UV SE de umbral ultrabajo en este estudio es la formación experimental de un NPC de alta calidad a gran escala. Para tener un NPC de este tipo, es fundamental que coincida estrechamente con el diseño. Hemos establecido previamente la correlación de la tasa de crecimiento lateral con la condición de crecimiento y el diseño del patrón, utilizando la epitaxia de área selectiva a baja temperatura (LT-SAE)51; y en este estudio, se llevó a cabo un extenso crecimiento de MBE y patrones de sustrato, en parte debido a la barra de error en el proceso EBL. Además, la epitaxia de área selectiva significativamente mejorada por LT-SAE podría ser otro factor que contribuye a la NPC51 de alta calidad a gran escala.

En resumen, en este trabajo hemos demostrado un umbral ultrabajo, SE láser en el rango espectral UV utilizando GaN epi-NPC. La longitud de onda del láser es de 367 nm, con un umbral de solo 7 kW/cm2 (o ~ 49 μJ/cm2), dos órdenes de magnitud más bajos en comparación con los VCSEL UV de AlGaN convencionales informados anteriormente en longitudes de onda de láser similares. Este umbral de láser también es más de un orden de magnitud inferior en comparación con los VCSEL de AlGaN convencionales en el rango espectral de UV cercano. Además, dado el excelente dopaje eléctrico que ya se ha establecido en los nanocables de nitruro III54,55,56 y el proceso completamente epitaxial, este estudio proporciona un camino viable para el desarrollo de láseres semiconductores SE inyectados eléctricamente en el rango UV, con propiedades de haz controladas. , en contraste con los láseres aleatorios UV inyectados eléctricamente demostrados anteriormente con nanocables semiconductores, así como la capacidad de integración con otras plataformas de dispositivos semiconductores existentes para aumentar las funcionalidades.

Los datos están disponibles previa solicitud razonable al autor correspondiente.

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Este trabajo cuenta con el apoyo del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC) y Fonds de Recherche du Quebec—Nature et Technologies (FRQNT). Los autores desean agradecer a CMC Microsystems por proporcionar productos y servicios que facilitaron esta investigación.

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad McGill, 3480 University Street, Montreal, QC, H3A 0E9, Canadá

Mohammad Fazel Vafadar y Songrui Zhao

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SZ concibió la idea. MV llevó a cabo la simulación, el diseño de patrones, el crecimiento MBE, los experimentos SEM y los experimentos PL, con la asistencia de SZ en los experimentos de crecimiento MBE y PL. Todos los autores contribuyeron a la redacción del manuscrito.

Correspondencia a Songrui Zhao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Vafadar, MF, Zhao, S. Superficie de umbral ultrabajo que emite láseres ultravioleta con nanocables semiconductores. Informe científico 13, 6633 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33457-9

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Recibido: 09 marzo 2023

Aceptado: 13 de abril de 2023

Publicado: 24 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33457-9

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