На протяжении десятилетий лаборатория Кента Чокетта, профессора электротехники и вычислительной техники, исследовала VCSEL, тип лазера с поверхностным излучением, используемого в таких распространенных технологиях, как смартфоны, лазерные принтеры, сканеры штрих-кодов и даже транспортные средства. Но в начале 2020 года лаборатория Choquette заинтересовалась новаторскими исследованиями японской группы, которая представила новый тип лазера под названием лазеры с поверхностным излучением на фотонных кристаллах, или PCSEL.

PCSEL - это новая область полупроводниковых лазеров, которые используют слой фотонных кристаллов для получения лазерного луча с очень желательными характеристиками, такими как высокая яркость и узкие круглые размеры пятна. Этот тип лазера полезен для оборонных приложений, таких как ЛиДАР, технология дистанционного зондирования, используемая для картографирования поля боя, навигации и отслеживания целей. При финансовой поддержке Исследовательской лаборатории ВВС группа Чокетта хотела изучить эту новую технологию и внести свои собственные усовершенствования в растущую область.

"Мы считаем, что PCSEL будут чрезвычайно важны в будущем", - сказала Эрин Рафтери, аспирантка в области электротехники и вычислительной техники и ведущий автор статьи. "Они просто еще не достигли промышленной зрелости, и мы хотели внести свой вклад в это".

PCSEL обычно изготавливаются с использованием отверстий для воздуха, которые встраиваются внутрь устройства после того, как полупроводниковый материал отрастает по периметру. Однако атомы полупроводника имеют тенденцию перестраиваться и заполнять эти отверстия, нарушая целостность и однородность структуры фотонного кристалла. Чтобы решить эту проблему, инженеры из Иллинойса Грейнджер заменили воздушные отверстия твердым диэлектрическим материалом, чтобы предотвратить деформацию фотонного кристалла во время повторного роста. Внедрив диоксид кремния внутрь отрастающего полупроводника в качестве части слоя фотонных кристаллов, исследователи смогли продемонстрировать первое доказательство концептуального дизайна PCSEL со скрытыми диэлектрическими свойствами.

"Когда мы впервые попытались вырастить диэлектрик заново, мы даже не знали, возможно ли это", - сказал Рафтери. "В идеале для выращивания полупроводников необходимо поддерживать эту очень чистую кристаллическую структуру на всем протяжении, начиная с базового слоя, чего трудно достичь с помощью аморфного материала, такого как диоксид кремния. Но на самом деле нам удалось вырасти сбоку вокруг диэлектрического материала и срастись сверху".

Специалисты в этой области ожидают, что в ближайшие 20 лет эти новые и усовершенствованные лазеры будут использоваться в автономных транспортных средствах, лазерной резке, сварке и связи в открытом космосе. Тем временем инженеры из Иллинойса усовершенствуют свою текущую конструкцию, воссоздав то же самое устройство с электрическими контактами, позволяющими подключать лазер к источнику тока для получения питания.

"Для достижения этого результата был необходим объединенный опыт Эрин и членов Minjoo Larry Lee group, а также оборудование и опыт исследовательской лаборатории ВВС на военно-воздушной базе Райт-Паттерсон", - сказал Чокетт. "Мы с нетерпением ждем начала работы диода PCSEL".

Кент Чокетт - профессор электротехники и вычислительной техники в Грейнджерском университете штата Иллинойс, сотрудник лаборатории микро- и нанотехнологий Холоньяк. Чокетт является профессором инженерных наук имени Абеля Блисса.

Минджу Ларри Ли - профессор электротехники и вычислительной техники в Грейнджерском университете штата Иллинойс и директор лаборатории микро- и нанотехнологий Холоньяк. Ли - стипендиат факультета, получивший стипендию от выпускников Intel.