Merparten av alla ytemitterande lasrar – så kallade Vcsel (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) – som säljs idag är galluimarsenidbaserade och ger infrarött ljus.

Blått ljus har kortare våglängd, mellan 400 och 500 nm, och för det vill man använda galliumnitrid. Idag används enbart GaN för kantemitterande lasrar, där de exempelvis hittat en plats i Blue-Ray-DVD-spelare.

Åsa Haglund

− Tittar man på ir-lasrar så finns de både som kant- och ytemitterande. Vi vill försöka göra ytemitterande GaN-baserade lasrar, säger docent Åsa Haglund, som leder forskargruppen.

Lasrarna tillverkas på wafers. De ytemitterande har fördelen att de kan testas medan de fortfarande sitter på skivan. Kantemitterande måste först klyvas upp i individuella komponenter innan de kan testas, vilket är besvärligt och dyrt. Vcsel:ar är även mindre med låg strömförbrukning, och vid tillverkningen får man en matris av lasrar som individuellt kan adresseras.

En viktig detalj hos en Vcsel är att speglarna, mellan vilka ljuset ska lasra, har en mycket hög reflektivitet. Klart över 99 procent.

− För att åstadkomma det använder man två material med högt och lågt brytningsindex. De alterneras och stackas.

Den lilla asken rymmer nio chip med blå emitterande lysdioder gjorda av material baserat på galliumnitrid (GaN).

Här kommer första utmaningen. För att kunna växa olika material på varandra epitaxiellt måste de ha samma atom-atom-avstånd i sina kristallstrukturer, annars byggs stress in som ger sprickor. För GaAs-baserade lasrar passar aluminiumarsenid (AlAs) väl, men att stapla nitrider har visat sig vara besvärligt.

Istället har man byggt upp dielektriska speglar genom att exempelvis deponera lager av kiseldioxid och titandioxid.

− Så har alla gjort med den övre spegeln, medan några även försöker lägga en dielektrisk spegel i botten. Det senare är en komplicerad och dyr process, förklarar Åsa Haglund, och fortsätter:

− Idag känner jag till tre företag i världen som jobbar med ytemitterande GaN-lasrar med två dielektriska speglar. Det är Sony, Panasonic och Nichia.

Nichia är känt för att Shuji Nakamura arbetade där när han utvecklade den första praktiskt användbara GaN-baserade blå lysdioden, vilket gav honom och ytterligare två personer nobelpris i fysik år 2014.

Teamet på Chalmers har en annorlunda utgångspunkt i sin forskning på Vcsel:ar i GaN.

− Det som särskiljer oss från de flesta andra universitetsgrupper världen över är vårt mycket starka komponentfokus.

Vi har arbetat med ytemitterande lasrar i GaAs i väldigt många år. De flesta andra är materialexperter och kan GaN.

− Så när vi började med detta upplevde vi att GaN-lasrar inte är uppbyggda optimalt. I princip alla har löst ströminjektionen med en design där den dielektriska spegeln blir lite nedsjunken i mitten, vilket ger problem.

Simuleringar på Chalmers visar att en nedsjunken spegel ger upphov till extremt höga förluster (se bild). I många fall är förlusterna så höga att det inte går att uppnå lasring överhuvudtaget.

− Många har stött på just det. De har inte fått sin design att lasrar, men har inte förstått varför.

Här visas två laserkonstruktioner i GaN där den undre spegeln är epitaxiell och den övre gröna är dielektrisk (klicka för större bild). Tanken är att ljuset ska reflekteras mellan de två speglarna, börja lasra och skicka ut en laserstråle uppåt i bilden. Figuren till vänster visar hur man tidigare gjorde den elektriska aperturen. Den nedsjunkna dielektriska spegeln ger mycket höga optiska förluster eftersom ljus läcker ut åt sidorna i strukturen. Figuren till höger är ett förslag från Chalmers på hur man kan skapa en lika bra elektrisk apertur, men med betydligt lägre optiska förluster. Här får man en våg-ledarstruktur som effektivt innesluter ljus i horisontalled, eftersom brytningsindex blir högre i centrum än i periferin (precis som i en optisk fiber). Därmed förloras inte mycket ljus när det propagerar i vertikalled i resonatorn. Chalmersforskarnas förslag kan sänka förlusterna med runt 70 procent jämfört med designen till vänster.

Upptäckten har gjort att Chalmersteamet tagit fram lite olika konstruktionsförslag där spegeln inte sjunker ned mitten.

− Flera forskargrupper har snappat upp det vi gjort. De har försökt att realisera våra förslag och kunnat visa på mycket bättre lasrar. Det är roligt, säger Åsa Haglund och fortsätter:

− Vår förhoppning är att vår forskargrupp ska kunna demonstrera en bra blå Vcsel inom två till tre år.

Med ”bra” menar hon en laser som kan leverera 1 mW i optisk uteffekt vid en tröskelströmtäthet som ligger under 10 kA/cm2 och att den lever åtminstone några 1 000-tals timmar.

− Att förbättra ströminjektionen tror jag är det viktigaste. Idag finns det en grupp som fått ut 3 mW och några som nått 1 mW, men lasrarna brinner upp direkt.

Samtidigt arbetar Åsa Haglunds forskargrupp med ytterligare en utmaning: att göra den undre spegeln i konstruktionen elektrisk ledande. Om det vore möjligt skulle strömmen kunna gå genom spegeln.

Då kan kontakterna, som idag ligger på sidorna av lasern, placeras i botten av substratet. Därmed skulle man slippa etsa ner på sidorna för kontakterna. Likaså skulle lasern bli både tunnare och mindre.

− Vi har lyckats göra nitridbaserade speglar i GaN/AIN med hög reflektivitet och den högsta elektriska ledningsförmågan som hittills har uppnåtts. Fast jämfört med GaAs-baserade Vcsel:ar är det fortfarande en bit kvar.