Lasers ultraviolets à émission de surface à seuil ultra-bas avec nanofils semi-conducteurs

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6633 (2023) Citer cet article

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Les lasers à semi-conducteur à émission de surface (SE) ont changé notre vie quotidienne de diverses manières, telles que la communication et la détection. L'extension de la longueur d'onde de fonctionnement des lasers à semi-conducteurs SE à une plage de longueurs d'onde ultraviolette (UV) plus courte élargit encore les applications à la désinfection, aux diagnostics médicaux, à la photothérapie, etc. Néanmoins, la réalisation de lasers SE dans la gamme UV est restée un défi. Malgré la récente percée des lasers UV SE avec du nitrure d'aluminium et de gallium (AlGaN), les lasers UV à nanofils AlGaN injectés électriquement sont basés sur des cavités optiques aléatoires, tandis que les lasers UV SE à cavité verticale AlGaN (VCSEL) sont tous par pompage optique et sont tous avec de grandes densités de puissance de seuil laser dans la plage de plusieurs centaines de kW/cm2 à MW/cm2. Nous rapportons ici un seuil ultra-bas, un laser SE dans la gamme spectrale UV avec des cristaux photoniques à base de nanofil épitaxial à base de GaN. Le laser à 367 nm est mesuré, avec un seuil de seulement environ 7 kW/cm2 (~ 49 μJ/cm2), un facteur de réduction de 100 × par rapport aux VCSEL UV AlGaN conventionnels précédemment rapportés à des longueurs d'onde laser similaires. Il s'agit également de la première réalisation de lasers SE à cristaux photoniques à nanofils dans la gamme UV. De plus, compte tenu de l'excellent dopage électrique qui a déjà été établi dans les nanofils de nitrure III, ce travail offre une voie viable pour le développement des lasers semi-conducteurs UV SE tant recherchés.

Les lasers à semi-conducteur SE sont importants pour une variété de domaines tels que la photonique, les technologies de l'information et de la communication et les sciences biomédicales1,2,3,4,5,6. Par rapport aux lasers à émission latérale, les lasers SE offrent un certain nombre d'avantages tels qu'une faible divergence de faisceau, un motif de champ lointain circulaire, une vitesse de modulation rapide, une capacité d'intégration bidimensionnelle, etc. . Le succès des lasers SE dans le proche IR ne se voit malheureusement pas dans les gammes spectrales visibles et UV plus courtes. Par exemple, malgré les progrès encourageants des lasers SE bleu et vert à base de GaN ces dernières années, ils n'ont pas encore atteint le même niveau de maturité que celui de leurs homologues dans le proche IR4, 10, 13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Dans le domaine des UV, la situation est encore plus à la traîne. Aucune des technologies existantes ne peut répondre aux besoins pratiques des applications. La percée dans le développement du laser UV SE est essentielle à une variété d'applications liées à notre vie quotidienne, notamment la désinfection, les diagnostics médicaux, la photothérapie, le durcissement et l'impression 3D haute résolution24, 25.

À l'heure actuelle, bien qu'il existe de nombreux efforts dans le développement de lasers UV SE avec d'autres systèmes de matériaux tels que les semi-conducteurs organiques et l'oxyde de zinc (ZnO), ainsi que d'autres technologies photoniques telles que le couplage d'optiques non linéaires à des VCSEL à base de GaAs proche infrarouge, par exemple, Refs.26,27,28,29,30,31. L'AlGaN a suscité un grand intérêt pour le développement du laser UV SE en raison d'un certain nombre d'avantages tels que des énergies de bande interdite directes, ultra larges et accordables, chimiquement stables, mécaniquement solides, très compacts, etc. Néanmoins, les lasers UV SE à nanofils AlGaN à injection électrique démontrés jusqu'à présent sont tous basés sur des cavités optiques aléatoires32,33,34,35, alors que les VCSEL UV AlGaN sont tous par pompage optique et ont tous de grandes densités de puissance de seuil laser8, 11, 36,37,38,39,40,41,42,43,44,45. Par exemple, la densité de puissance de seuil pour un laser inférieur à 280 nm est de 1,2 MW/cm239, et même pour un laser à une longueur d'onde plus longue (p. non seulement surmonter les inconvénients des cavités optiques aléatoires avec des nanofils auto-organisés, mais aussi atténuer considérablement les défis des VCSEL UV AlGaN conventionnels. Le laser UV SE montré dans cette étude est à 367 nm avec un seuil de seulement 7 kW/cm2, une réduction de 100 fois par rapport aux VCSEL UV AlGaN conventionnels. L'utilisation de lasers SE à base de cristaux photoniques peut également potentiellement offrir un mode unique uniforme sur une grande surface et d'autres avantages tels que le faisceau à la demande12.

Une illustration schématique du concept de dispositif est illustrée à la Fig. 1a, qui utilise l'épi-NPC GaN disposé dans un réseau carré pour la formation de la cavité optique afin d'obtenir un laser SE. L'utilisation d'un réseau carré est favorable pour le laser monomode ainsi que pour la réalisation de diverses fonctionnalités, par exemple, les références 12, 46. Une illustration de la propagation du faisceau lumineux dans le plan et de la diffraction dans la direction normale formant le laser SE est également illustrée dans l'encart de la Fig. 1a. La figure 1b montre la vue de dessus d'un tel NPC, avec deux directions spécifiques Γ-X et Γ-M marquées. Pour le GaN, l'émission lumineuse en bord de bande est d'environ 364 nm47. Par conséquent, nous concevons une structure NPC qui peut former une cavité pour supporter le laser autour de cette longueur d'onde. La figure 1c montre la structure de bande photonique magnétique transversale (TM) bidimensionnelle (2D) à l'aide d'un ensemble d'optique spatiale et ondulatoire 2D dans COMSOL Multiphysics, avec une constante de réseau (a, distance centre à centre) de 200 nm et un diamètre de nanofil (dNW) de 173 nm. La ligne pointillée représente la fréquence réduite (a/λ). En général, aux bords de la bande photonique, la vitesse de groupe de lumière devient nulle, c'est-à-dire dω/dk → 0, de sorte que des ondes stationnaires peuvent être formées, et un effet laser peut être obtenu en utilisant une lumière aussi lente, en raison d'un temps d'interaction considérablement amélioré entre le champ de rayonnement et le milieu de gain. laser possible (si le gain est supérieur à la perte) à ce stade, avec λ ~ 367 nm. De plus, au point Γ, le faisceau lumineux peut également être diffracté perpendiculairement au plan du cristal photonique, formant un laser SE12, 46, 48,49,50. La figure 1d montre en outre le profil de mode (|E|2) de la structure NPC conçue, simulée à l'aide de la méthode tridimensionnelle (3D) du domaine temporel des différences finies (FDTD). On voit qu'une forte intensité de mode est observée dans le NPC. Dans la simulation FDTD, les nanofils avec les mêmes paramètres de conception que ceux mentionnés ci-dessus ont été disposés dans un réseau carré sur un substrat GaN. Une source dipôle TM avec une longueur d'onde centrale de 367 nm a été positionnée au centre du réseau de nanofils. La dimension latérale pour la simulation était de 6 μm × 6 μm et la condition aux limites de la couche parfaitement adaptée (PML) a été utilisée.

( a ) Schéma du laser UV SE utilisant GaN epi-NPC. En médaillon : Propagation de la lumière dans le plan et diffraction normale au plan. (b) Vue de dessus de la structure NPC, avec deux directions spécifiques Γ-X et Γ-M étiquetées. ( c ) Bandes photoniques de la structure NPC avec a = 200 nm et dNW = 173 nm. La ligne pointillée rouge indique que la fréquence réduite correspond à λ ~ 367 nm. ( d ) Le profil de champ électrique ( | E | 2) du mode de bord de bande calculé par la méthode FDTD 3D.

Expérimentalement, la structure NPC a été formée sur un substrat de GaN sur saphir à motifs en utilisant l'épitaxie par jet moléculaire (MBE). Pour former le motif, 10 nm de Ti ont d'abord été déposés à l'aide d'un évaporateur à faisceau d'électrons, suivis d'une lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et d'une gravure ionique réactive (RIE) pour créer des nanotrous de différents diamètres (a = 200 nm) disposés dans un réseau carré. Pour former le NPC, il a suivi un processus en deux étapes. Le substrat à motif Ti a d'abord été nitruré à 400 ° C dans la chambre de croissance MBE, pour éviter les fissures et la dégradation à des températures élevées. Cela a été suivi par la croissance des nanofils de GaN. La condition de croissance comprenait une température de substrat (Tsub) de 865 °C, un débit d'azote de 0,9 sccm et un flux de Ga de 2,5 × 10−7 Torr. Une analyse détaillée des conditions de croissance peut être trouvée ailleurs51.

La dimension du NPC développé était de 75 μm × 75 μm, avec des bords parallèles aux bords de la plaquette qui avait une taille de 1 cm × 1 cm. Une image optique du réseau est illustrée à la Fig. S1a. Une image au microscope électronique à balayage (SEM) du NPC est illustrée à la Fig. 2a. L'image SEM a été prise à un angle d'inclinaison de 45 ° à l'aide d'un SEM à émission de champ (FE). On voit que les nanofils sont très homogènes. Un examen détaillé confirme en outre que les nanofils ont une uniformité similaire à grande échelle. Les images SEM à grande échelle sont illustrées à la Fig. S1b – d. Les statistiques sur le diamètre des nanofils ont ensuite été réalisées à l'aide d'images SEM, ce qui donne un dNW moyen de 173,2 nm et un écart type de 4,4 nm (cette barre d'erreur peut être largement limitée par le processus EBL). Ainsi, un NPC de grande surface proche de la conception (par rapport au diamètre du nanofil) est obtenu expérimentalement.

(a) Une image SEM à vue inclinée de la structure NPC (le réseau laser). ( b ) Les spectres RTPL des réseaux laser et non laser. L'image SEM du réseau non laser peut être trouvée dans Supp. Info.

La figure 2b montre le spectre de photoluminescence (PL) à température ambiante (RT) collecté à partir de la surface supérieure de la structure NPC (appelée « réseau laser »), excité par un laser à impulsions de 213 nm (largeur d'impulsion : 7 ns ; taux de répétition : 200 Hz) sous une densité de puissance maximale de 63,5 kW/cm2. La lumière laser a été focalisée sur la surface de l'échantillon à travers une lentille de focalisation (taille du point : ~ 9 × 10–4 cm2), et la lumière émise a également été collectée à partir de la surface de l'échantillon à l'aide d'une lentille de focalisation (NA ~ 0,31), qui a ensuite été couplée à une fibre optique et un spectromètre UV (QE Pro, résolution spectrale ~ 0,3 nm). La figure 2b montre également le spectre PL d'un réseau de a = 600 nm et dNW = 325 nm (désigné par "réseau non laser") mesuré dans les mêmes conditions. L'image SEM du réseau non laser est illustrée à la Fig. S2a. La structure de bande photonique du réseau non laser a également été calculée et est illustrée à la Fig. S2b. On constate que la fréquence réduite a/λ (λ = 367 nm) n'est corrélée à aucun mode de bord de bande, suggérant l'absence d'amplification de la lumière. Ceci est cohérent avec ce qui est montré sur la Fig. 2b : alors qu'une forte émission PL est mesurée à partir du réseau laser avec une largeur de raie étroite, l'émission PL du réseau sans laser est beaucoup plus faible (environ réduite d'un facteur 10) avec la largeur de raie restant large (une demi-largeur pleine largeur d'environ 15 nm). De plus, la position du pic PL du réseau non laser est à environ 364 nm, ce qui correspond à l'émission de bord de bande de GaN ; tandis que pour le réseau laser, le pic PL est décalé vers une longueur d'onde plus longue, en raison de la cavité optique.

Des mesures détaillées confirment en outre la réalisation d'un laser SE à seuil ultra-bas. La figure 3a montre les spectres d'émission de lumière sous différentes densités d'excitation. On voit qu'à mesure que la densité d'excitation augmente, les spectres se rétrécissent, accompagnés d'une augmentation rapide de l'intensité lumineuse. Cette tendance est plus clairement illustrée par la courbe L–L (éclairage éteint contre éclairage entrant) de la Fig. 3b, avec un seuil clair autour de 7 kW/cm2. Le laser est en outre confirmé en examinant la courbe L – L dans une échelle logarithmique. Comme le montre la figure 3c, une forme en S claire, correspondant à l'émission spontanée (linéaire), à l'émission spontanée amplifiée (super linéaire) et au laser (linéaire), est observée, étant la preuve confirmative du laser32,33,34.

(Dans le sens des aiguilles d'une montre) (a) Les spectres d'émission de lumière de la structure NPC sous différentes puissances d'excitation. L'intensité lumineuse en fonction de la densité de puissance de crête dans une échelle linéaire (b) et dans une échelle logarithmique (c). ( d ) Largeur de raie (symboles ouverts) et position du pic d'émission lumineuse (symboles remplis) par rapport à la densité de puissance maximale. Les lignes pointillées sont un guide pour les yeux.

Il est en outre noté que, dans cette étude, l'intensité de la lumière laser collectée sur le côté n'est que d'environ 1/30 par rapport à celle collectée par le haut, suggérant l'émission de lumière dominée par la surface. Des discussions détaillées peuvent être trouvées dans Supp. Info. Texte S3. Dans cette étude, nous avons également mesuré les spectres PL du modèle GaN sur saphir et GaN sur saphir avec masque Ti. Les résultats sont décrits dans Supp. Info. Texte S4. En bref, seul le PL faible est mesuré à partir de GaN sur saphir avec un masque Ti, ce qui suggère que l'émission de lumière mesurée à la fois par les réseaux non laser et laser provient des nanofils de GaN développés sur le dessus. Cela confirme également que le laser est dû à l'émission de lumière du PNJ. On note également que, comme le réseau laser et le réseau non laser ont la même hauteur, il exclut que le laser soit dû à la formation d'une cavité Fabry-Perot (FP).

Le facteur de couplage d'émission spontanée β a été en outre estimé en utilisant le rapport d'intensité de l'émission spontanée par rapport à l'émission laser, comme indiqué par les lignes en pointillés sur la figure 3c. Un facteur β d'environ 0,08 peut être dérivé. Ce facteur β est comparable aux lasers SE à cristal photonique rapportés précédemment et est supérieur aux valeurs rapportées dans les VCSEL UV AlGaN conventionnels, en raison du couplage photonique efficace dans une cavité à cristal photonique8, 11, 14, 23. La figure 3d montre la largeur de raie et la longueur d'onde maximale en fonction de la puissance d'excitation. Une nette réduction de la largeur de raie près du seuil est observée. La largeur de raie relativement large pourrait être liée à plusieurs modes de laser. De plus, on voit également qu'après le seuil, la longueur d'onde maximale est pratiquement inchangée, suggérant une longueur d'onde laser presque stable.

La polarisation dans le plan au point Γ est finalement étudiée. À cet égard, l'émission de lumière a été collectée à partir du haut du dispositif avec un polariseur inséré dans le chemin de collecte de lumière, tandis que l'extrémité de pompage est similaire à celle décrite précédemment pour les résultats illustrés sur les Fig. 2 et 3. L'extrémité de collecte est schématiquement représentée sur la Fig. 4a : un polariseur Glan-Taylor est placé dans le chemin de collecte de la lumière, et l'angle dans le plan φ est également étiqueté. Ici, φ = 0° signifie que le champ électrique est le long de l'axe de transmission du polariseur. D'après la figure 4b, on voit que l'intensité lumineuse à φ = 0 ° est environ 10 fois plus forte que l'intensité lumineuse à φ = 90 °, ce qui suggère que la lumière émise est fortement polarisée dans le plan au point Γ. La figure 4c montre en outre l'intensité lumineuse à divers angles φ. Si l'on définit le rapport de polarisation (degré de polarisation) ρ = (Imax - Imin)/(Imax + Imin), on obtient une valeur de ρ d'environ 0,8, suggérant un degré élevé de polarisation dans le plan. Un comportement de polarisation similaire a déjà été rapporté à partir de lasers SE à cristal photonique à base d'InGaN14, 19, 21, 23. Le comportement de polarisation dans le plan dans la présente étude pourrait être lié à plusieurs modes de laser, et le mécanisme détaillé est en cours d'étude.

(a) Le schéma de la mesure de polarisation dans le plan au point Γ. (b) Émission de lumière polarisée du NPC à φ = 0° et φ = 90°. ( c ) Tracé de l'intensité lumineuse mesurée à partir du NPC à différents angles dans le plan φ. La densité d'excitation était de 63,5 kW/cm2.

La figure 5 montre le graphique de comparaison du seuil laser atteint dans cette étude par rapport aux seuils laser des VCSEL UV AlGaN conventionnels précédemment rapportés à différentes longueurs d'onde. On voit que, pour les VCSEL UV AlGaN conventionnels, le seuil d'effet laser est de l'ordre de plusieurs centaines de kW/cm2 à MW/cm2, et le seuil d'effet laser augmente à mesure que la longueur d'onde laser devient plus courte, comme indiqué par la ligne en pointillés. Pour un effet laser à des longueurs d'onde similaires à la longueur d'onde de la présente étude, le seuil est d'environ 0,7 à 1 MW/cm2. En revanche, le seuil de lasing dans la présente étude n'est que d'environ 7 kW/cm2.

Comparaison de la densité de puissance de seuil laser (Pth): les VCSEL UV AlGaN conventionnels précédemment rapportés par rapport aux lasers NPC UV SE dans cette étude. La ligne de tiret est un guide pour les yeux.

Pour les VCSEL UV AlGaN conventionnels, les principaux défis résident dans la difficulté d'obtenir des miroirs à réflecteur de Bragg distribué (DBR) de haute qualité (principalement limités par la qualité du matériau en raison de grands décalages de réseau), la difficulté d'obtenir une faible résistivité AlGaN en raison du faible dopage électrique (principalement de type p) et de la complexité du processus de fabrication du dispositif, par exemple, les références 8, 11. L'utilisation de cristaux photoniques épitaxiaux à nanofils peut considérablement atténuer ces défis. Par exemple, les nanofils ascendants se sont avérés capables d'améliorer la qualité du matériau en raison de la relaxation de contrainte efficace sur la grande surface, par exemple, Refs.47, 52, 53. En outre, l'exploitation des modes de bord de bande des cristaux photoniques pour le laser peut éviter les miroirs DBR problématiques pour la formation de la cavité. Cela contribue largement au laser UV SE à seuil ultra-bas obtenu dans cette étude, par rapport aux VCSEL UV AlGaN conventionnels.

Une autre raison importante pour obtenir le laser UV SE à seuil ultra-bas dans cette étude est la formation expérimentale d'un NPC de haute qualité à grande échelle. Afin d'avoir un tel PNJ, une correspondance étroite avec la conception est essentielle. Nous avons précédemment établi la corrélation entre le taux de croissance latérale et la condition de croissance et la conception du motif, en utilisant l'épitaxie de zone sélective à basse température (LT-SAE)51 ; et dans cette étude, une croissance approfondie du MBE et une structuration du substrat ont été réalisées, en partie à cause de la barre d'erreur dans le processus EBL. De plus, l'épitaxie de zone sélective considérablement améliorée par LT-SAE pourrait être un autre facteur qui contribue au NPC51 de haute qualité à grande échelle.

En résumé, dans ce travail, nous avons démontré un seuil ultra-bas, un laser SE dans la gamme spectrale UV en utilisant GaN epi-NPC. La longueur d'onde laser est à 367 nm, avec un seuil de seulement 7 kW/cm2 (ou ~ 49 μJ/cm2), deux ordres de grandeur inférieurs par rapport aux VCSEL UV AlGaN conventionnels précédemment rapportés à des longueurs d'onde laser similaires. Ce seuil laser est également inférieur de plus d'un ordre de grandeur par rapport aux VCSEL AlGaN conventionnels dans la gamme spectrale proche UV. En outre, compte tenu de l'excellent dopage électrique qui a déjà été établi dans les nanofils de nitrure III et du processus entièrement épitaxial, cette étude fournit une voie viable pour le développement de lasers à semi-conducteurs SE injectés électriquement dans la gamme UV, avec des propriétés de faisceau contrôlées, contrairement aux lasers aléatoires UV à injection électrique précédemment démontrés avec des nanofils semi-conducteurs, ainsi que la capacité d'intégration à d'autres plates-formes de dispositifs semi-conducteurs existantes pour des fonctionnalités accrues.

Les données sont disponibles sur demande raisonnable auprès de l'auteur correspondant.

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Ce travail est soutenu par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et le Fonds de recherche du Québec — Nature et technologies (FRQNT). Les auteurs aimeraient remercier CMC Microsystèmes pour avoir fourni des produits et des services qui ont facilité cette recherche.

Département de génie électrique et informatique, Université McGill, 3480, rue University, Montréal, QC, H3A 0E9, Canada

Mohammad Fazel Vafadar & Songrui Zhao

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SZ a conçu l'idée. MV a réalisé la simulation, la conception de modèles, la croissance MBE, les expériences SEM et les expériences PL, assistée par SZ dans la croissance MBE et les expériences PL. Tous les auteurs ont contribué à la rédaction du manuscrit.

Correspondance à Songrui Zhao.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Vafadar, MF, Zhao, S. Lasers ultraviolets émettant en surface à seuil ultra-bas avec des nanofils semi-conducteurs. Sci Rep 13, 6633 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33457-9

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Reçu : 09 mars 2023

Accepté : 13 avril 2023

Publié: 24 avril 2023

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

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