جاپان میں نچیا کارپوریشن اور کیوٹو یونیورسٹی نے فوٹوونک کرسٹل سرفیس ایمیٹنگ لیزرز (پی سی ایس ای ایل) کی صلاحیتوں کو نظر آنے والے سپیکٹرم کے گرین بینڈ تک بڑھانے کی رپورٹ دی ہے [نٹسو ٹیگوچی ایٹ ال، ایپل۔ طبیعیات ایکسپریس، v17، p012002، 2024]۔
محققین نیلے PCSELs یا سبز کنارے سے خارج ہونے والے لیزر ڈائیوڈس اور عمودی گہا کی سطح سے خارج کرنے والے لیزر ڈایڈس کے مقابلے میں سبز PCSELs کی ترقی کو "آدمی" کے طور پر بیان کرتے ہیں۔ تاہم، ٹیم کو امید ہے کہ یہ آلات ایپلی کیشنز جیسے کہ میٹریل پروسیسنگ، ہائی برائٹنس لائٹنگ، اور ڈسپلے کے لیے پرکشش ہوں گے۔
فوٹوونک کرسٹل (PCs) آپٹیکل رویے کو کنٹرول کرنے کے لیے مختلف اضطراری اشاریوں کے ساتھ مواد کی دو جہتی جالی ساخت کا استعمال کرتے ہیں۔ محققین کو PCSELs سے ایک خاص توقع ہے کہ وہ اس کنٹرول کو استعمال کریں تاکہ اعلی پیداواری طاقتوں پر سنگل موڈ رویے کو حاصل کرنا آسان ہو، اس طرح بیم کے معیار کو بہتر بنایا جائے۔
محققین نے تبصرہ کیا، "فوٹونک کرسٹل کی انفرادیت (مثلاً، Γ) سے فائدہ اٹھا کر، PCSEL عمودی اور پس منظر واحد موڈ دولن کے ساتھ ساتھ 0.2 ڈگری سے کم زاویوں کے ساتھ کم ڈائیورجن ریڈی ایشن بیم حاصل کرتا ہے۔" PCSEL آپٹیکل پاور کو ایک بڑے ریزونیٹر والیوم پر بھی پھیلاتا ہے، اس طرح شدید آپٹیکل کثافت کی وجہ سے ہونے والے تباہ کن آپٹیکل ڈیمیج (COD) سے بچتا ہے۔
فوٹوونک کرسٹل PCSEL ایپیٹیکسیل مواد کی p-GaN رابطہ پرت میں ہوا کے بجائے سلکان ڈائی آکسائیڈ (SiO2) کے فلر مواد کا استعمال کرتے ہوئے بنائے گئے تھے، جو پچھلے مطالعات میں زیادہ عام تھا (تصویر 1)۔ فعال پرت کو بڑھانا اور پھر فوٹوونک کرسٹل بنانا فوٹوونک کرسٹل کے جالی مستقل (a) کو ایپیٹیکسیل ڈھانچے کی فعال پرت کی ماپا گین طول موج کے مطابق ایڈجسٹ کرنے کی اجازت دیتا ہے۔
شکل 1: سبز طول موج کے ساتھ GaN پر مبنی PCSEL کی ساخت: (a) کٹ چپ کا کراس سیکشن؛ (ب) (اوپر) ITO الیکٹروڈ کو ہٹانے کے بعد p-GaN سطح پر فوٹوونک کرسٹل کی الیکٹران مائکروسکوپ (SEM) کی تصویر سکین کرنا۔ (نیچے) دوہری جالی فوٹوونک کرسٹل ڈیزائن اسکیم۔
SiO2 کے ساتھ جالیوں کو بھرنے سے لیکیج کرنٹ کو جالیوں کے سوراخوں کے کنارے پر موجود کنڈکٹو ذرات سے گزرنے سے روکتا ہے، جس سے کرنٹ کو زیادہ مستحکم ہوتا ہے اور طفیلی رساو کو کم کیا جاتا ہے۔ SiO2 فوٹوونک کرسٹل پرت کے موثر ریفریکٹیو انڈیکس کو بھی بہتر بناتا ہے، جس کی وجہ سے گائیڈنگ موڈ فوٹوونک کرسٹل کی طرف بڑھتا ہے اور آپٹیکل فیلڈ میں جوڑے کو بڑھاتا ہے۔
SiO2 کے استعمال کی ایک خرابی یہ ہے کہ یہ فوٹوونک کرسٹل اور GaN کے درمیان اضطراری انڈیکس کے تضاد کو کم کرتا ہے، جس سے فوٹوونک کرسٹل ہوائی جہاز میں روشنی کی لہروں کو کنٹرول کرنا زیادہ مشکل ہوجاتا ہے۔ اس کی تلافی کے لیے، محققین نے جالیوں کے سوراخوں کے قطر میں اضافہ کیا اور ایک دوہری جالی ساخت کا استعمال کیا، جہاں ایک یونٹ سیل دو جالیوں کے سوراخوں پر مشتمل ہوتا ہے جو x اور y سمتوں میں 0.4a کے ذریعے آفسیٹ ہوتا ہے۔ محققین نے کہا، یہ "ہوائی جہاز میں کافی قید اور جوڑے حاصل کرنے کے لیے کیا گیا تھا یہاں تک کہ اگر فوٹوونک کرسٹل کو بھرنے والے p-GaN اور SiO2 کے درمیان ریفریکٹیو انڈیکس کا تضاد کم ہو۔"
فوٹوونک کرسٹل کی تشکیل کے عمل میں ایک انڈیم ٹن آکسائڈ (ITO) شفاف کنڈکٹر کو گروپ III نائٹرائڈ ایپیٹیکسیل مواد پر جمع کرنا، پھر انڈکٹو کپلڈ پلازما ری ایکٹیو آئن ایچنگ (ICP-RIE) کے ساتھ فوٹوونک کرسٹل کے جالیوں کے سوراخوں کو ڈرل کرنا، اور پھر ان کو بھرنا شامل ہے۔ پلازما کیمیائی بخارات جمع (CVD) کا استعمال کرتے ہوئے SiO2 کے ساتھ۔ ITO مواد کو ڈھانچے سے ہٹا دیا گیا ہے، جس سے ایک 300-µm-قطر کا سرکلر سینٹر ریجن p-الیکٹروڈ اور p-GaN کرسٹل کو p-الیکٹروڈ کے طور پر چھوڑ دیا گیا ہے۔ سرکلر سینٹر ریجن جو p-الیکٹروڈ اور p-GaN کے درمیان ایک نالی کا کام کرتا ہے۔
محققین رپورٹ کرتے ہیں کہ الیکٹران مائیکروسکوپی امیجنگ اسکیننگ کے مطابق، فوٹوونک کرسٹل میں SiO2- بھرے ہوئے ستونوں کے مرکز میں ہوا کا ایک چھوٹا سوراخ ہوتا ہے۔ ٹیم نے تبصرہ کیا، "فوٹونک کرسٹل طیارے کے اندر ایئر ہول کی شکل یکساں ہے، اور اس لیے یہ خیال کیا جاتا ہے کہ ایئر ہول کی موجودگی PCSEL کی کارکردگی کو نمایاں طور پر متاثر نہیں کرتی ہے۔"
ڈیوائس کے فیبریکیشن کے عمل کو مکمل کرنے سے پہلے، n-GaN کی پرت کو ٹیبل اینچ کرنے کی ضرورت ہے اور پھر میز کو ڈھانپنے کے لیے SiO2 جمع کیا جاتا ہے (مرکزی ITO علاقے کے علاوہ)؛ p-الیکٹروڈ اور n-الیکٹروڈ بالترتیب اوپر اور نیچے کی سطحوں پر جمع ہوتے ہیں۔ اور نیچے سرکلر لیزر آؤٹ پٹ ایریا پر اینٹی ریفلیکٹیو (AR) کوٹنگ لگائی جاتی ہے۔ اس کے بعد آلات کو کاٹ کر کارکردگی کی پیمائش کے لیے ذیلی ماؤنٹ پر پلٹ دیا گیا۔
210 nm کے فوٹوونک کرسٹل جالی مستقل کے ساتھ ڈیوائس نے 500 ns پیدا کرنے والے 5 A کے انجیکشن کرنٹ پر تقریبا 50 میگاواٹ کی زیادہ سے زیادہ آؤٹ پٹ پاور حاصل کی 1 کلو ہرٹز کی تکرار فریکوئنسی پر دالیں۔ اس کی الیکٹرو آپٹیکل کنورژن ایفیشنسی (WPE) 0.1% تھی۔ لیزنگ تھریشولڈ 3.89 kA/cm2 کی موجودہ کثافت پر پہنچ گئی تھی۔ ڈھلوان کی کارکردگی 0.02 W/A تھی۔ آؤٹ پٹ لیزر کو 0.8 کے پولرائزیشن تناسب کے ساتھ لکیری طور پر پولرائز کیا گیا تھا۔ سرکلر فار فیلڈ پیٹرن (FFP) کا ڈائیورجن اینگل 0.2 ڈگری تھا۔ لیزر طول موج 505.7 nm تھی۔
لیزر طول موج کو کسی حد تک اس وقت ٹیون کیا جا سکتا ہے جب فوٹوونک کرسٹل جالی پیرامیٹر a 210 nm اور 217 nm (تصویر 2) کے درمیان مختلف ہو۔ 217 nm ڈیوائس کی زیادہ سے زیادہ اخراج طول موج 520.5 nm ہے۔ فعال تہہ کی حاصل کی چوٹی تقریباً 505 nm ہے، لہذا طویل طول موج پر لیزر روشنی پیدا کرنا زیادہ مشکل ہے، جس کے نتیجے میں فوٹوونک کرسٹل جالی مستقل میں اضافے کے ساتھ حد میں اضافہ ہوتا ہے۔
محققین یہ بھی رپورٹ کرتے ہیں کہ اعلی فوٹوونک کرسٹل لیٹیس کنسٹنٹ والے کچھ آلات لکیری دور فیلڈ پیٹرن کے ساتھ فلیٹ بینڈ لیزنگ کا اخراج کرتے ہیں۔ ٹیم اس طرح کے فلیٹ بینڈ لیزنگ کو فوٹوونک کرسٹل ڈھانچے میں اتار چڑھاو اور فوٹوونک کرسٹل کے نسبتاً کم کپلنگ گتانک سے منسوب کرتی ہے۔
محققین نے تبصرہ کیا، "الیکٹرو آپٹیکل تبادلوں کی کارکردگی کو فوٹوونک کرسٹل پرت اور ایپیٹیکسیل کرسٹل پرت کو بہتر بنا کر بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ فوٹوونک کرسٹل کے لیے، جیومیٹری کو بہتر بنا کر ہوائی جہاز میں مضبوط کپلنگ اور عمودی تابکاری کی توقع کی جاتی ہے۔ فوٹوونک کرسٹل ریجن میں بنیادی گائیڈنگ موڈز کی طاقت کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے، جبکہ انجکشن والے کیریئرز کے غیر چمکدار نقصان کو بھی مدنظر رکھا جائے گا۔"
مستقبل کی تحقیق کے لیے ایک اہم ضرورت مسلسل لہر کے آپریشن کا احساس ہے۔
