Le laser à émission de surface violet au nitrure de gallium avec un rendement de conversion de puissance supérieur à 20 %. Crédit : Tetsuya Takeuchi / Université Meijo
Les chercheurs ont créé une nouvelle technique permettant de contrôler précisément la longueur de la cavité dans les lasers à émission de surface à cavité verticale basés sur GaN.
Les lasers à cavité verticale et à émission de surface au nitrure de gallium (GaN) (VCSEL) sont des diodes laser à semi-conducteurs avec des applications prometteuses dans divers domaines, notamment les phares adaptatifs, les écrans à balayage rétinien, les systèmes de test au point d'intervention et les systèmes de communication à lumière visible à grande vitesse. . Leur rendement élevé et leurs faibles coûts de fabrication les rendent particulièrement intéressants pour ces applications.
Les GaN-VCSEL sont composés de deux couches de miroirs semi-conducteurs spéciaux, appelés réflecteurs de Bragg distribués (DBR), séparés par des couches actives de semi-conducteur GaN, qui forment la cavité résonante optique, où la lumière laser est générée. La longueur de cette cavité résonante est cruciale pour contrôler la longueur d’onde du laser cible, appelée longueur d’onde de résonance.
Développement de structures GaN-VCSEL
Jusqu'à présent, deux types de structures VCSEL à base de GaN ont été développés : l'une avec un DBR diélectrique inférieur et l'autre avec du nitrure d'indium et d'aluminium inférieur (AlInN)/GaN DBR. Les deux aboutissent à des VSCEL avec plus de 20 milliwatts de puissance lumineuse et un rendement de prise murale (WPE) supérieur à 10 %. Cependant, le DBR AlInN/GaN a une bande passante de longueur d'onde d'arrêt étroite, ce qui permet d'émettre de la lumière uniquement dans une plage de longueurs d'onde étroite à partir des VCSEL.
De plus, la méthode traditionnelle de contrôle de la longueur de la cavité, qui implique des expériences préalables avec des couches de cavité de test pour déterminer leur taux de croissance, entraîne une erreur entre l'épaisseur estimée et finale de la cavité VCSEL. Cette erreur pourrait conduire à ce que les longueurs d'onde de résonance soient hors de la bande passante d'arrêt étroite du DBR AlInN/GaN, ce qui affecterait considérablement les performances.
Innovations dans le contrôle de la longueur des cavités
Pour résoudre ce problème, dans une étude récente, des chercheurs japonais, dirigés par le professeur Tetsuya Takeuchi du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université Meijo, ont développé un nouveau sur place procédé de contrôle de la longueur de la cavité pour une cavité optique VCSEL à base de GaN. En contrôlant précisément la croissance des couches de GaN à l'aide sur place En mesurant les spectres de réflectivité, les chercheurs ont obtenu un contrôle précis de la longueur de la cavité avec seulement un écart de 0,5 % par rapport à la longueur d'onde de résonance cible. Aujourd’hui, ils ont étendu cette technique innovante et démontré le contrôle de la longueur de la cavité d’un VSCEL complet.
Le professeur Takeuchi explique : « La cavité d'un VCSEL contient non seulement des couches de GaN, mais également une électrode en oxyde d'indium et d'étain (ITO) et un pentoxyde de niobium (Nb).2Ô5) couche d'espacement, qui ne peut pas être contrôlée avec le même système de mesure des spectres de réflectivité in situ. Dans cette étude, nous avons développé une technique pour calibrer avec précision l’épaisseur de ces couches supplémentaires, ce qui permet d’obtenir des VCSEL très efficaces. Leur étude a été publiée dans le volume 124, numéro 13 de la revue Lettres de physique appliquée.
Techniques d'étalonnage pour les couches supplémentaires
Pour calibrer l'épaisseur des couches supplémentaires, les chercheurs ont d'abord déposé les électrodes ITO et Nb2Ô5 couches d'espacement d'épaisseurs variables sur les structures de test GaN qui ont été cultivées à l'aide du sur place contrôle de la cavité. Étant donné que le sur place La mesure de réflectivité ne peut pas être utilisée pour ces couches supplémentaires, ils ont directement évalué la longueur d'onde de résonance de ces structures de cavité de test en utilisant ex situ mesure des spectres de réflectivité. Les longueurs d'onde de résonance obtenues ont été décalées vers le rouge, ce qui signifie que les longueurs d'onde ont augmenté avec une augmentation de l'épaisseur de l'ITO et du Nb.2Ô5 couches.
Ensuite, les chercheurs ont cartographié les changements de longueur d'onde de résonance en fonction de l'ITO et du Nb.2Ô5 épaisseurs de couche, obtenant des informations précises sur leurs épaisseurs optiques. Ils ont utilisé ces informations pour calibrer avec précision l'épaisseur de l'ITO et du Nb.2Ô5 couches vers la longueur d’onde de résonance VCSEL cible. L'écart du contrôle de la longueur d'onde de résonance résultant de cette méthode était suffisamment faible, à moins de 3 %, comparable à celui du sur place méthode de contrôle en terme d'épaisseur optique.
Enfin, les chercheurs ont fabriqué des GaN-VCSEL avec des tailles d'ouverture allant de 5 à 20 µm en mettant en œuvre les électrodes ITO accordées et le Nb.2Ô5 couches d'espacement dans la cavité VCSEL cultivée à l'aide du sur place contrôle de la cavité. La longueur d'onde d'émission maximale de ces VCSEL présentait un écart de seulement 0,1 % par rapport à la longueur d'onde de résonance conçue. Notamment, grâce au contrôle précis de la longueur de la cavité, le VCSEL à ouverture de 5 µm a atteint un WPE de 21,1 %, ce qui constitue une réussite significative.
« Tout comme une échelle très précise permet la construction d’étagères détaillées, l’utilisation précise du contrôle de l’épaisseur in situ des couches de GaN combinée à l’étalonnage de l’épaisseur des électrodes ITO et Nb.2Ô5 Les couches d'espacement permettent une fabrication hautement contrôlée de VCSEL, ce qui représente un outil puissant pour obtenir des VCSEL à base de GaN hautes performances et hautement reproductibles pour des dispositifs optoélectroniques hautement efficaces », conclut le professeur Takeuchi, soulignant l'importance de ces résultats.
