Zastosowanie powietrza jako warstwy okładkowej otwiera nowe perspektywy dla konstrukcji laserów o dłuższych falach: zielonych, żółtych, czerwonych

Diody laserowe oparte na azotku galu (GaN) znajdują dzisiaj zastosowanie w wielu urządzeniach codziennego użytku: projektorach laserowych, odtwarzaczach Blu-ray, sprzęcie medycznym, reflektorach samochodowych oraz w komunikacji optycznej. Konstrukcja i wytwarzanie diod laserowych emitujących światło w zakresie niebieskim jest bardzo dobrze opanowana, natomiast uzyskanie laserowania w zakresie zielonym, żółtym i czerwonym staje się tym trudniejsze, im dłuższe fale próbujemy uzyskać ze względu na konieczność wprowadzania coraz większej ilości indu do obszaru aktywnego. Poza wyzwaniami związanymi z utrzymaniem wysokiej jakości struktury takiego kryształu półprzewodnikowego, głównym ograniczeniem jest skuteczne związanie światła wewnątrz obszaru aktywnego lasera. W obecnie stosowanych konstrukcjach laserów azotkowych osiąga się to, umieszczając warstwę aktywną pomiędzy warstwami okładkowymi wykonanymi z materiału o niższym współczynniku załamania światła. Im niższy współczynnik załamania okładek, tym lepiej, jednak ze względu na ograniczenia technologiczne aktualnie stosuje się warstwy z AlGaN, które zapewniają wystarczające związanie światła niebieskiego. W miarę przesuwania się w kierunku dłuższych fal warstwy AlGaN stają się coraz bardziej naprężone, grubsze i trudniejsze do wyhodowania bez powstawania pęknięć.

Naukowcy z naszego Instytutu zaproponowali teraz radykalnie inne rozwiązanie: zastąpienie obu warstw okładkowych… powietrzem. W opublikowanym właśnie artykule – dostępnym Open Access – w czasopiśmie ACS Applied Materials & Interfaces zaprezentowane zostały pierwsze elektrycznie pompowane azotkowe diody laserowe o emisji krawędziowej o zupełnie nowej konstrukcji – z obiema okładkami z powietrza po obu stronach obszaru aktywnego. Ponieważ powietrze charakteryzuje się najniższym możliwym współczynnikiem załamania światła (n = 1), zapewnia maksymalny kontrast w stosunku do falowodu na bazie GaN, gwarantując silne związanie światła bez konieczności stosowania naprężonych warstw AlGaN.

Zatem jak zbudować laser, który „jest zawieszony” w powietrzu? Umożliwiają to dwa pomysłowe rozwiązania technologiczne.

Od strony górnej zastosowano złącze tunelowe – nanostrukturę, która zamienia prąd dziurowy na prąd elektronowy. Dzięki temu kontakt elektryczny można umieścić z boku paska laserowego, a nie na jego szczycie, co pozostawia górną powierzchnię całkowicie wolną od metalu i wystawioną na działanie powietrza.

Od strony dolnej naukowcy wyhodowali cienką warstwę poświęceniową z InGaN silnie domieszkowanego germanem, umieszczoną pod strukturą lasera. Po zakończeniu procesu technologicznego, warstwa ta zostaje selektywnie rozpuszczona przez niewielkie otwory za pomocą lateralnego trawienia elektrochemicznego (ECE), dzięki czemu cała membrana laserowa zawisa nad szczeliną wypełnioną powietrzem. W zależności od geometrii otworów, gotowe przyrządy przybierają kształt przypominający „skrzydła” lub „membrany”. Pomiary rentgenowskie wykonane na synchrotronie w Grenoble, przeprowadzone we współpracy z naukowcami z Niemiec i Francji, wykazały, że cała struktura ulega wygięciu zaledwie o kilka nanometrów. Co bardzo ważne – spodnia powierzchnia membrany laserowej charakteryzuje się gładkością na poziomie atomowym. To z kolei było możliwe dzięki zastosowanej technologii epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), która pozwala na atomową precyzję wytwarzania kolejnych warstw kryształu półprzewodnikowego różniących się poziomem domieszkowania germanem o kilka rzędów wielkości.

Zademonstrowane przyrządy (proof-of-concept) laserują w długości fali 456 nm (zakres niebieski) w trybie impulsowym, osiągając sprawność na poziomie 0,4 W/A. Wynik ten dorównuje, a nawet przewyższa parametry laserów referencyjnych z konwencjonalnymi okładkami z GaN.

Prawdziwy potencjał zademonstrowanej technologii kryje się jednak poza zakresem niebieskim. Przedstawione przez naukowców wyniki symulacji pokazują, że architektura laserów z powietrznymi okładkami przyniesie znacznie większą poprawę związania światła w przypadku emiterów zielonych, żółtych i czerwonych – czyli dokładnie tam, gdzie tradycyjne warstwy AlGaN napotykają największe trudności. Może to wreszcie otworzyć drogę do konstrukcji wydajnych, elektrycznie pompowanych laserów azotkowych działających w całym zakresie widzialnym.

Poza możliwością inżynierii długości fali, technologia elektrochemicznego odtrawiania przyrządów (liftoff) otwiera drogę do przenoszenia laserów azotkowych na dowolne podłoża – np. umożliwiając wytwarzanie układów fotoniki zintegrowanej na krzemie czy na elastycznych podłożach, a nawet tworzenie miniaturowych rozmiarów urządzeń biomedycznych np. dla optogenetyki. Co więcej, w przypadku przeskalowania procesu całkowitego odtrawiania przyrządów, podłoża GaN, które mają relatywnie wysoką cenę, będą mogły być wielokrotnie wykorzystywane, co znacząco obniży koszty produkcji laserów.

Szczegółowe wyniki znajdują się w publikacji dostępnej Open Access: M. Sawicka, M. Hajdel, O. Gołyga, H. Turski, M. Chlipała, A. Feduniewicz, S. Stańczyk, C. Skierbiszewski, C. Corley-Wiciak, C. Richter, and G. Muziol, Air-Cladding Blue Laser Diodes, ACS Applied Materials & Interfaces 18, 35483 (2026). https://doi.org/10.1021/acsami...