可见波长的基于 GaN 的光子晶体表面发射激光器 (PCSEL) 已引起人们对各种应用的关注，例如材料加工、高亮度照明和显示器。在本信中，我们展示了绿光波长的基于 GaN 的 PCSEL。我们在 p-GaN 中形成了一个光子晶体 (PC)，并用 SiO2 填充了 PC 的孔以确保器件的稳定性。通过脉冲条件下的电流注入测试和光谱分析，我们确认所制造的器件在 505 nm 以上的波长下具有 Γ 点单模振荡。我们的研究结果有可能进一步扩大 PCSEL 和半导体激光器在可见光区域的应用。
绿光波长激光器在显示器、生物科学和医学等领域一直需求旺盛。传统上，在此波长范围内使用具有二次谐波产生的 YAG 基激光器或 He-Ne 激光器。虽然这些固态/气体激光器的光束质量优异，但由于其低电光转换效率 (WPE) 而导致功耗高，并且体积庞大，便携性差。相比之下，基于 GaN 的可见波长半导体激光器具有功耗低的优势，这是由于其 WPE 高，体积小。自 1995 年首次证实 GaN 基边发射激光二极管 (EELD) 可以振荡以来，1) 多年来，其特性不断改进，2,3) 包括其激光波长扩展到从绿光4,5) 到紫外光6–9) 。最近，中心波长为 532 nm 的 EELD 的输出功率已达到 1.64 W。3) 然而，EELD 存在几个问题，例如纵向和横向的多模振荡，以及辐射光束的广泛发散和由脊的横截面积较小而导致的灾难性光学损伤 (COD)。基于 GaN 的垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 也因其吸引人的特性而得到了发展，例如由于其谐振器体积小而导致的低阈值振荡、集成的可能性以及采用分布布拉格反射器 (DBR) 的垂直单模操作。10-14) 然而，当扩大谐振器的面积以增加输出功率时，VCSEL 更容易表现出横向多模振荡。
光子晶体面发射激光器 (PCSEL) 采用二维光子晶体 (PC) 作为腔体，有可能克服 EELD 和 VCSEL 的上述问题。15,16) 通过利用 PC 的奇异点（例如 Γ）点，PCSEL 可实现垂直和横向单模振荡以及角度小于 0.2° 的低发散辐射光束。此外，由于谐振腔面积较大，即使在高功率下也可以保持谐振腔中的光密度较小，从而消除了 COD 的风险。
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最近，由两个重叠晶格群组成的双晶格光子晶体引起了人们的注意。17) 双晶格光子晶体可以详细控制光子晶体平面上 180° 和 90° 衍射的干涉（厄米），以及这些衍射光与垂直辐射的干涉（非厄米）。18) 这些干涉控制可以实现连续波驱动的垂直和横向单模振荡，即使谐振器直径为 3 毫米，输出功率也能超过 50 瓦。19) 自 2008 年首次振荡以来，一些研究小组已经开发了可见光区域的基于 GaN 的 PCSEL。20,21) 最近，利用在 n-GaN 层中形成双晶格光子晶体并通过再生长嵌入的结构，成功实现了室温下的连续波操作。22) 这些都是在蓝色波长下实现的。我们的下一个目标之一是将我们的 PCSEL 平台扩展到绿光波长。在本研究中，我们实现了在绿光波长下振荡的基于 GaN 的 PCSEL。我们在 p-GaN 层中制作了一个双晶格 PC，并用 SiO2 填充了 PC 的孔。在这里，我们首先描述了所制作的 PCSEL 器件的结构。接下来，我们证明该器件在 505.7 nm 的波长下表现出垂直和横向单模振荡。最后，我们表明可以通过控制 PC 的晶格常数在约 505-520 nm 的范围内调整振荡波长。
图 1. 绿光波长 GaN 基 PCSEL 的结构。(a) 切割 PCSEL 芯片的横截面示意图。(b) (顶部) 在 p-GaN 表面捕获的双晶格 p-GaN/SiO2 PC 的扫描电子显微镜图像。此处，在用 SiO2 填充 PC 后去除 ITO 电极，然后去除多余的 SiO2 以露出 p-GaN 的表面。(底部) 设计的双晶格 PC 的示意图。
图 1(a) 为本研究中 PCSEL 芯片的示意图。我们在有源层上方的 p-GaN 中形成了 PC。在这种情况下，PC 是在有源层生长之后在 p-GaN 中形成的。23) 因此，通过了解有源层的实际增益波长，可以精确调整晶格常数 α。这是在有源层生长之前在 n-GaN 上形成 PC 时不存在的特性。此外，对于 p-GaN 上的 PC，PC 的孔用 SiO2 填充，这与以前报道的带有气孔 PC 的 PCSEL 不同。SiO2 PC 具有一些特点。首先，用 SiO2 填充可保护 PC 的侧壁免受导致电流泄漏的导电颗粒（例如氧化铟锡 (ITO) 和 p 电极）的侵害，从而提高 PCSEL 芯片的工作稳定性。其次，PC 层的有效折射率增加，因此基导模的分布向 PC 层移动，从而增强了导光和 PC 之间的耦合。另一方面，与空气孔 PC 的情况相比，用 SiO2 填充 PC 会降低 p-GaN 和 PC 之间的折射率对比度，导致在 PC 层内传播的基波之间的耦合系数降低。请注意，这种耦合降低可以通过增大 PC 的填充因子 (FF) 来补偿。此外，我们采用了双晶格 PC，如图 1(b) 所示。两个重叠的晶格组在 x 和 y 方向上彼此相距 d。与 d 成比例，每个晶格平面内衍射的光会发生光学干涉。当 d = a/2 时，干涉变为建设性17)，这会增强平面内光耦合，从而增强平面内光限制。另一方面，当 d = a/4 时，干涉会变得具有破坏性，17) 这会削弱平面内光学耦合，从而削弱平面内光学约束。在这种情况下，高阶平面内模式的光损耗高于基本平面内模式，这适用于宽谐振器区域上的单模振荡。在本研究中，我们将 d 设置为 0.4a，即使在 p-GaN 和 SiO2 填充 PC 之间的折射率对比度较低的情况下，也能获得足够的平面内约束和耦合。
PCSEL 的制造过程如下所述。首先，在 GaN 衬底上依次生长 n-GaN 层、有源层和 p-GaN 层。随后在 p-GaN 层上沉积 ITO 膜。接下来，使用电子束 (EB) 光刻和电感耦合等离子体反应离子蚀刻 (ICP-RIE) 在 ITO 膜和 p-GaN 层中形成双晶格 PC。接下来，利用等离子体 CVD 工艺用 SiO2 填充 PC 的孔，然后去除 ITO 膜，只留下直径为 300 μm 的中央圆形区域作为电极。请注意，用 SiO2 填充 PC 后，通过 PC 的横截面扫描电子显微镜成像可以观察到每个孔中心都有一个小的气孔。空隙的形状在 PC 平面内是均匀的，因此认为空隙的存在不会对 PCSEL 的行为产生重大影响。然后，依次进行以下操作：暴露 GaN 层、在 ITO 中心区域以外的区域上形成 SiO2薄膜、沉积 p 电极和 n 电极（带有用于激光输出的圆形孔径）、在 n 电极的圆形孔径内涂上 AR 涂层。最后，将绿色 GaN 基 PCSEL 切割并以面朝下的方式安装在底座上。
图 2. 室温脉冲条件下器件 (a = 210 nm) 的工作特性（脉冲宽度 500 ns，重复频率 1 kHz）。(a)面朝下配置的成品器件图片。n 电极的孔径为 900 μm。(b) 电流密度为 1.43 kA cm−2 时捕获的 ITO 电极 NFP 的显微镜图像。(c) 输出功率注入电流特性。(d) 电流密度为 3.24 kA cm−2 时的 FFP。
图 3. 光谱特性。(a) 测量的器件光子能带图。组成能带的光谱是在 2.5 A 电流下获得的，电流低于激光阈值，它们通过 c/a 进行归一化，其中 c 是自由空间中的光速。(b) 对应于 (a) 中白色虚线的 Γ 点 (黑色) 处的自发发射光谱，其中施加了在 4 A (浅绿色) 和 5 A (深绿色) 电流下获得的激光光谱。激光光谱是使用积分球获得的。
对制备好的绿光 GaN 基 PCSEL 进行了电流注入测试。图 2(a) 显示的是一个晶格常数 a = 210nm 的成品器件。在引线键合的 n 电极上开了一个圆形孔，ITO 电极位于孔的中心。测试在室温和脉冲条件下进行，其中脉冲宽度和重复频率分别为 500ns 和 1kHz。图 2(b) 显示了在注入电流为 1.23A 时获得的 ITO 电极的近场模式 (NFP)，表明电流被限制在 ITO 电极区域内。由于 SiO2 薄膜在 ITO 和 p 电极之间略有重叠，因此 ITO 电极区域的外围看起来很暗。图 2(c) 显示了器件的输出功率-电流特性。在电流密度阈值 ~3.89kA cm−2 时观察到输出功率急剧增加，表明存在激光振荡。获得了 ~0.02WA−1 的斜率效率。在电流 ~5A 时，最大输出功率为 ~50mW，电光转换效率 (WPE) 为 ~0.1%。图 2(d) 显示了在电流 2.9A（略高于激光阈值）时获得的远场模式 (FFP)。FFP 是一个单瓣圆点，具有较窄的发散角，表明横向单模 Γ 点操作。输出光束也具有线性偏振，沿偏振角观察到最大 (Max) 和最小 (Min) 输出功率。使用偏振比定义为 RPol = (Max − Min)/(Max + Min)，RPol 的值约为 0.8。图 3 描述了上一节中讨论的同一 PCSEL 器件的光谱特性。图 3（a）显示了光子能带图，该图由从器件表面以不同角度测量的自发辐射光谱组成。观察到四个带，分别标记为 A、B、C 和 D，源自方晶格。图 3（b）显示了能带结构 Γ 点处的自发辐射光谱，其中还显示了注入电流为 4 A 和 5 A 时的激光光谱。比较这些光谱表明，激光不仅处于单个横向模式，而且在 505.7 nm 的 B 带上处于单个垂直模式。可以通过 Γ 点自发发射光谱上四个带的间隙确定与 180° 和 90° 角面内耦合相关的耦合系数 κ1D 和 κ2D。24) 在本研究中，该器件的 κ1D 和 κ2D 分别确定为 207 cm−1 和 11 cm−1。
图4. 具有不同晶格常数的器件的激光光谱。
PCSEL 的激光波长 λL 由 λL = neffa 给出，其中 neff 是振荡波长处的有效折射率。换句话说，激光波长可以通过晶格常数 a 任意调整。图 4 显示了晶格常数在 210 nm 和 217 nm 之间的器件的激光光谱，彼此相差 1 nm。可以观察到，随着晶格常数的增加，激光波长发生红移。在本研究中，确认了最大波长为 520.5 nm 的激光。另一方面，本研究中有源层的增益峰值在 505 nm 左右。随着晶格常数的增加，因此，激光波长偏离增益峰值，导致激光阈值增加。其中一些器件还表现出具有线形 FFP 的平带激光。这里观察到的平带激光除了相对较低的 κ2D 外，还归因于 PC 结构的波动。平面内和深度方向的结构不均匀性会导致 κ2D 降低，从而导致平带激光。
如上述电流注入测试和光子带分析所示，我们已成功开发出在绿光波长下具有单模 Γ 点操作的 PCSEL。另一方面，与蓝光波长下的 PCSEL22) 以及现有的 EELD3) 和绿光波长下的 VCSEL14) 相比，其作为激光二极管 (LD) 的工作特性仍处于原始水平。通过优化 PC 和外延晶体层，可以改善 WPE。对于 PC，通过优化几何形状，有望获得更强的平面内耦合和垂直辐射。外延晶体层的设计应使 PC 区域的基本导模强度最大化，同时还要考虑注入载流子的非发光损耗。
总之，我们利用在 p-GaN 层中形成的 SiO2 填充双晶格 PC，实现了在绿光波长下工作的基于 GaN 的 PCSEL 的开发。SiO2 填充有助于提高操作稳定性和耦合增强，但也会使光耦合恶化，因为 PC 的折射率对比度会降低，这可以通过增大填充系数来补偿。进行了电流注入测试，证明了激光振荡和单模 Γ 点操作，最大输出功率约为 50 mW，WPE 约为 0.1%。获得了 ~0.02 WA−1 的斜率效率。通过比较光子能带图和激光光谱，我们明确了单模振荡发生在 505.7 nm 的 B 波段。
此外，我们能够通过晶格常数任意调整激光波长，并确认最大波长为 520.5 nm 的激光。然而，作为 LD 的工作特性，例如 WPE、电流阈值和斜率效率，仍然落后于现有的 LD。3,14,22) CW 操作是未来研究的主要目标之一。预计通过优化 PC 和外延晶体层来改进 WPE。这里提出的结果将扩大 PCSEL 在可见光区域的运行波长范围，进一步增强其作为 LD 的潜力。
