परंपरागत अर्धचालक लेज़रों, जैसे कि फैब्री-पेरोट (एफपी) गुहा लेज़र्स, डिस्ट्रीब्यूटेड फीडबैक (डीएफबी) लेजर, और वर्टिकल-कैविटी सरफेस-एमिटिंग लेज़र्स (वीसीएसईएल), एक साथ एकल-मोड ऑपरेशन, हाई पावर आउटपुट और एक छोटे डाइवर्जेंस एंगल को प्राप्त नहीं कर सकते हैं। हालांकि, फोटोनिक क्रिस्टल सरफेस-एमिटिंग लेजर (PCSELS) एक छोटे से विचलन कोण (चित्रा 1) के साथ उच्च-शक्ति, एकल-मोड लेजर आउटपुट को प्राप्त करने के लिए दो-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल में ब्रैग विवर्तन का उपयोग करते हैं, जिससे उन्हें गर्म अनुसंधान विषयों में से एक घरेलू और अंतरराष्ट्रीय स्तर पर दोनों बन जाते हैं।
गैलियम नाइट्राइड (GAN)-आधारित अर्धचालक सामग्री में एक सीधा बैंडगैप होता है, जिसमें उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य होते हैं, जो गहरे पराबैंगनी स्पेक्ट्रम के लिए दिखाई देते हैं, उच्च चमकदार दक्षता और उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता जैसे लाभ प्रदान करते हैं, जिससे वे PCSEL निर्माण के लिए उपयुक्त हैं। GAN- आधारित PCSels उभरते हुए क्षेत्रों में होनहार अनुप्रयोगों जैसे उपन्यास डिस्प्ले, सामग्री प्रसंस्करण, लेजर प्रकाश, पानी के नीचे संचार, इंटरस्टेलर संचार, चिप परमाणु घड़ियों, गहरी जगह की खोज, परमाणु रडार, और लेजर चिकित्सा, व्यापक ध्यान आकर्षित करते हैं।
चित्रा 1। संरचनात्मक आरेख, विशिष्ट दूर-क्षेत्र विचलन कोण, और एफपी एज-एमिटिंग लेज़रों, डीएफबी एज-एमिटिंग लेज़रों, वीसीएसईएल और पीसीएसईएल के आउटपुट स्पेक्ट्रल विशेषताओं।
जापान में क्योटो विश्वविद्यालय में प्रोफेसर नदा की टीम ने पहली बार 1999 में पीसीएसईएल की अवधारणा का प्रस्ताव रखा और विज्ञान 319, 445 (2008) में गान-आधारित वायलेट पीसीएसईएल के पहले कमरे-तापमान इलेक्ट्रो-इंजेक्शन लेसिंग की सूचना दी। इसके बाद, 2022 में जापान की स्टेनली कंपनी और 2024 में जापान की निकिया कंपनी के सहयोग से, उन्होंने आगे GAN- आधारित PCSels के उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य को नीले और हरे रंग के प्रकाश बैंड में बढ़ाया। वर्तमान में, केवल जापान ने विश्व स्तर पर GAN- आधारित PCSels के विद्युत इंजेक्शन-प्रेरित उत्सर्जन को प्राप्त किया है।
सेमीकंडक्टर डिस्प्ले मटेरियल एंड चिप्स और सूज़ौ प्रयोगशाला की प्रमुख प्रयोगशाला के सहयोग से, दोनों सुजौ इंस्टीट्यूट ऑफ नैनोटेक्नोलॉजी और चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज के नैनोसाइंस द्वारा स्थापित, एक GAN- आधारित फोटोनिक क्रिस्टल सरफेस-एमिटिंग लेजर (PCSEL) को हाल ही में विकसित किया गया था, और कमरे-तापमान इलेक्ट्रो-इंक्रेसिंग को प्राप्त किया गया था।
अनुसंधान टीम ने पहले GAN- आधारित PCSEL डिवाइस की संरचना का अनुकरण किया और डिजाइन किया, फिर उच्च गुणवत्ता वाले GAN- आधारित लेजर सामग्री को बढ़ाया, और GAN- आधारित PCSEL डिवाइस को गढ़ने के लिए कम-डैमेज फोटोनिक क्रिस्टल नक़्क़ाशी और पास होने की प्रक्रियाओं को विकसित किया, जिसमें 4 0 0 × 400 μM g) के फोटोनिक क्रिस्टल क्षेत्र आकार के साथ। कोण-हल किए गए स्पेक्ट्रोस्कोपी (चित्रा 3) का उपयोग करके of-x दिशा में GAN- आधारित PCSEL की बैंड संरचना को मापने से, यह देखा गया कि: कम इंजेक्शन धाराओं में, बैंड संरचना स्पष्ट है, मोड C के साथ उच्चतम तीव्रता है; जैसे-जैसे वर्तमान बढ़ता है, गैर-विकिरण मोड बी की तीव्रता लासिंग होने तक काफी बढ़ जाती है। बैंड संरचना को मापने से, यह निर्धारित किया गया था कि डिवाइस फंडामेंटल मोड बी में ले जाता है, थ्रेसहोल्ड करंट के पास लगभग 0.05 एनएम की आधी चौड़ाई के साथ।
चित्रा 2। (ए) GAN- आधारित PCSEL संरचना के योजनाबद्ध आरेख, (B) ऑप्टिकल पंपिंग परीक्षणों से प्राप्त फोटोनिक क्रिस्टल बैंड संरचना, और (सी) सतह और (डी) फोटोनिक क्रिस्टल के क्रॉस-सेक्शनल स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवियों।
चित्रा 3। (ए-ई) विभिन्न इंजेक्शन धाराओं में मापा गया of-x दिशा में GAN- आधारित PCSEL की बैंड संरचना, (F) वक्र, चोट तरंग दैर्ध्य की भिन्नता दिखाती है और इंजेक्शन वर्तमान के साथ GAN- आधारित PCSEL की वर्णक्रमीय आधा चौड़ाई।
उपरोक्त काम के आधार पर, अनुसंधान टीम ने लगभग 415 एनएम के लेसिंग तरंगदैर्ध्य के साथ, 21.96 ए की एक दहलीज धारा, लगभग 13.7 KA\/CM and के एक संगत थ्रेशोल्ड वर्तमान घनत्व के साथ, एक गान-आधारित फोटोनिक क्रिस्टल सतह-उत्सर्जक लेजर (चित्रा 4) के कमरे-तापमान इलेक्ट्रिकल इंजेक्शन को प्राप्त किया। अगले चरण में, टीम ने एक नई GAN- आधारित PCSEL संरचना को डिजाइन करने के लिए उच्च गुणवत्ता वाले GAN एकल-क्रिस्टल सब्सट्रेट का उपयोग करने की योजना बनाई है और उच्च-शक्ति (10-100 W) सिंगल-मोड लेजर आउटपुट को प्राप्त करने के लिए PCSEL डिवाइस फैब्रिकेशन और पैकेजिंग\/थर्मल मैनेजमेंट तकनीक में चुनौतियों को पार किया है।
चित्रा 4। GAN- आधारित PCSEL: (ए) अलग-अलग इंजेक्शन धाराओं में इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस स्पेक्ट्रा, (बी) आउटपुट ऑप्टिकल पावर-वर्तमान-वोल्टेज कर्व्स, (सी) दूर-क्षेत्र स्थान, और (डी) से पहले और (ई) गैन-आधारित पीसीएसएल लेसिंग के निकट-क्षेत्र की छवियों के बाद।
