Opracowanie nowych koncepcji emiterów azotkowych (380 –

520 nm) w celu ich wykorzystania w sensorach chemicznych,

biologicznych i medycznych. (zadanie 14)

Piotr Perlin

Instytut Wysokich Ciśnień PAN

1

2

Do chwili obecnej japońskie firmy takie jak Nichia, Sony,

Sanyo, Sharp koncentrowały się na uruchomieniu

produkcji laserów do zastosowań w nowej generacji DVD

Obudowa 5.6 mm

Lub w miniaturowych wyświetlaczach laserowych np. Osram

Obudowa 3.8 mm

3

0

1

2

3

4

5

6

7

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

0

50

100

150

200

250

300

350

Op

tica

l p

ow

er

(mW

)

Current (A)

Volta

ge

(V)

Jthr=3 kA/cm2, Vthr=5.5V

Uzyskaliśmy ostatnio lasery o gęstości progowej prądu 2 kA/cm2

IWC PAN kontynuuje prace nad rozwojem laserów średniej i

dużej mocy o długości fali około 405 nm

Przykład lasera o mocy optycznej 340 mW (IWC PAN + TopGaN)

4

Active layer

oxideoxide

Metal

3-5µm

Diody laserowe – emitery krawędziowe

Processing laserów:

Depozycja tlenków i metali

Trawienie jonowe

Fotolitografia klasyczna i laserowa

Montaż, lutowanie eutektyczne wire bonding

Testy i lifetesty

55

6

Nowe aplikacje koherentnych źródeł światła (w tym

sensorowe) wymagają nowych rozwiązań konstrukcyjnych

Systemy emitujące wysoką moc optyczną

Linijki laserowe

L

d

Jednowymiarowa matryca diod laserowychMożliwość osiągnięcia mocy optycznych znacznie powyżej 1 W

Potencjalna możliwość równoległego działania w przypadku linijek

adresowanych

Ten typ przyrządu nie występuje na światowych rynkach!

7

Linijki laserowe – problemy do rozwiązania

1. Maksymalizacja sprawności lasera.

2. Rozwiązanie problemu odprowadzania ciepła i montażu

3. Fizyka oddziaływania emiterów - sprzężenia

8

Nowe długości fali

Uzyskanie przyrządów o optymalnych parametrach

pracujących w zakresie 380 – 520 nm poszerzy możliwość

stosowania emiterów w różnych aplikacjach w tym

sensorowych.

Do tej pory w IWC PAN uzyskano emisję laserową w zakresie

380 – 430 nm, ale optymalne parametry były uzyskane w

zakresie 390-415 nm.

360 380 400 420 440 460 4800

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

LD 151 393 nm

LD 416 - 430nm

LD117 402 nm

LD116 - 416 nm

Inte

nsity (

cp

s)

Emission wavelength (nm)

9

380 405 500 nm

Problemy do rozwiązania

1. Konstrukcja studni kwantowych,

szczególnie barier. Stopy o niskim

składzie In. Utrzymanie właściwej

głębokości studni.

2. Minimalizacja absorpcji w

rezonatorze.

3. Problemy niezawodnościowe –

duża energia fotonu.

1. Duży kwantowy efekt Starka.

Naprężenia prowadzące do

generacji defektów

2. Efekt Auger lub inny o zależności

n3

3. Wysokie straty w falowodzie

4. Słaby confinement optyczny

modów.

Milestony:31.03.2010 - Demonstracja emisji laserowej w długości fali 460 nm

10

Diody superluminescencyjne (SLED)

Przyrząd oparty o mechanizm emisji wymuszonej ale bez

sprzężenia zwrotnego

Cechy:

Dobra koherencja przestrzenna, ale brak koherencji

czasowej.

Bardzo dobra wiązka (typu laserowej).

Dość wysokie moce optyczne.

Zastosowania:

Tomografia laserowa, obrazowanie fluorescencyjne

SLED azotkowe do tej pory nie zademonstrowane.

11

Diody superluminescencyjne (SLED)

Trzy sposoby procesowania przyrządów

1. Warstwy antyrefleksyjne

Pasek kontaktu

Warstwy antyrefleksyjne

2.Dezorientacja paska laserowego

12

Diody superluminescencyjne (SLED)

Diody z biernym obszarek absorbującym.

13

Diody superluminescencyjne (SLED)

Opracowano podstawy processingu tego typu przyrządów

Pierwsze próby zostaną przeprowadzone w ciągu miesiąca.

Milestones:-30.09.2009 Demonstracja emisji ze struktury typu SLED o długości fali 405 nm

- 30.09.2011 Osiągnięcie mocy 20 mW z diody superluminescencyjnej

Uzyskane wyniki – matryce laserowe-mini linijki

14

Wykonaliśmy następujące struktury:

3, 7 m szerokośd paska

20,40, 60 m stała linijki

500-700 m długośd rezonatora

Linijki – struktura epitaksjalna

• Struktury epitaksjalne MOCVD

• Wyjsciowa ilośd dyslokacji rzędu 102 cm-2

• Koocowa ilośd dyslokacji 104-105

15

Azotkowe minilinijki - trójpaskowe

16

N-GaN

N-AlGaN

GaN (0.1m)

MQW

GaN (0.1m)

P-AlGaN

P+ AlGaN (20 nm)

InGaN- 1.9 % (3.5 nm)

Si: InGaN- 10 % (8 nm)

3 quantum wells

Cladding: 0.35 m

Al0.08Ga0.92N

Cladding: 0.55 m ,

Al0.08Ga0.92N

EBL: Mg-doped Al0.2Ga0.8N

Procesowana jako „oxide isolated ridgewaveguide”

chipsy(300 m x 500 m) montowane p-dodołu na heat spreaderach diementowych

Paski są połączone równolegle

MINI Linijki

Photo of our structure

Praca CW w Temp ~ 20 C

Parametry przyrządów3 x 3m, pitch 40 m

17

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

op

tica

l p

ow

er

(W)

Current (A)

stripe 3 m x 3m

380 400 420 4400

3

6

9

Inte

nsity [arb

. units]

Wavelength (nm)

I=1030 mA

Maksymalna moc optyczna

250 mW

Bardzo wąskie widmo (1.5 Å)

Quasi-jedno modowy

Parametry przyrządów3 x 3m, pitch 40 m

• Bezpośrednia projekcja na matrycę CCD.

18

Pomiary pola dalekiego

T

L

Nad progiem

T

L

T

L

Pod progiem Około progu

T - TRANSVERSAL

L - LATERAL direction

Supermod?

19

Nagła zamiana obrazu pola dalekiego sugeruje tworzenie supermodu.

Efekt dziwny dla relatywnie dużej odległości między paskami – 40 m

Dlaczego efektywność sprzężenia jest tak wysoka:

Dwa mechanizmy:

Bezpośrednie sprzężenie przez zanikające fale

Pośrednie sprzężenie przez mod podłożowy

Substrate mode

Propagacja 3 fal

odpowiada wersji

koherentnej

20

obraz pola bliskiego

przyrząd 3 x 7m, pitch 20 m

31.03.2009 - Demonstracja 10 emiterowej linijki

laserowej (nieadresowanej).

30.09.2010 - Osiągnięcie mocy optycznej > 1 W dla linijki

laserowej

31.03.2011 - Demonstracja adresowalnej, 10 emiterowej

linijki laserowej dla długości fali z przedziału 400-430

Milestones: