Projekt SONATA
„Nanoporowaty GaN – nowa platforma dla realizacji struktur kwantowych”

Opis projektu

Porowate półprzewodniki zaczęto bardzo intensywnie badać na początku lat 90tych ubiegłego wieku, kiedy to odkryto, że obecność nanometrycznych rozmiarów porów w krzemie pozwala na uzyskanie emisji światła, niemożliwej w „zwykłym”, objętościowym krysztale. Nanoporowaty GaN jest interesującym materiałem z wielu powodów. Główną motywacją badań jego właściwości jest możliwość modyfikowania współczynnika załamania światła z porowatością w bardzo szerokim zakresie, który jest niedostępny dla azotków (In,Al,Ga)N. Ta właściwość porowatego GaN wykorzystywana jest w takich zastosowaniach jak nanomembrany, zwierciadła Bragga o wysokim odbiciu (DBRs), lasery o emisji powierzchniowej (VCSELs) oraz lasery o emisji krawędziowej z nanoporowatymi warstwami okładkowymi. Znaczenie praktyczne nanoporowatego GaN jest więc niekwestionowane. Dodatkowo jest to materiał, który może być użyty do badania ciekawych efektów kwantowych. W ramach tego projektu chcemy wkroczyć na pole nanoporowatych struktur fotonicznych opartych o azotki III-N i badać obszary takie jak trawienie domieszkowanego GaN:Mg p-typu i GaN:Ge n-typu, struktur implantowanych jonowo jak również nanoporowatych struktur studni kwantowych oraz heterostruktur z dwuwymiarowym gazem dziurowym.

Wartość projektu: 1 128 960 PLN
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programu SONATA.


Cel projektu

Projekt koncentruje się przede wszystkim na zrozumieniu mechanizmów trawienia elektrochemicznego (ECE) w silnie domieszkowanym GaN na typ-n i typ-p w celu uzyskania wielkości porów o średnicy poniżej 10 nm [zadanie 1]. Planujemy zbadać mechanizmy trawienia dla nowych domieszek - Ge i Mg. Są to dobrze znane donory i akceptory dla GaN, ale nie zostały jeszcze wykorzystane do domieszkowania warstw dla ECE. Aby osiągnąć cele projektu, wykorzystamy technologię epitaksji wiązki molekularnej z użyciem plazmy azotowej (PAMBE), która jest niezwykle skuteczna w kontroli wysokiego poziomu domieszkowania. Inna technologia, która jest najszerzej stosowana we wzroście azotków - MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy) raportuje problemy z silnym domieszkowaniem na typ-n i typ-p. Trawienie elektrochemiczne GaN typu-p nie jest opisane w literaturze. Będziemy również poszukiwać niejednorodności we wprowadzaniu domieszek związanej z kinetyką stopni atomowych podczas epitaksji. W przypadku GaN: Si stwierdziliśmy nierównomierny rozkład domieszki, gdy przeprowadziliśmy wzrost na powierzchni ze zbitkami stopni atomowych.

Równolegle [zadanie 2] planujemy zbadanie różnic w ECE standardowych i implantowanych jonowo warstw GaN typu-p i typu-n. Nasze wstępne badania pokazują, że powinniśmy być w stanie „zablokować” trawienie poprzez implantację jonów do materiału typu p, w przeciwieństwie do materiału typu n, mimo że oba nie są przewodzące po implantacji jonów. Powinno to mieć ogromne znaczenie dla processingu urządzeń półprzewodnikowych i charakterystyki implantacji jonów, szczególnie w kontekście niedawno raportowanej przewodności typu p GaN po implantacji jonami i wyżarzeniu w wysokim ciśnieniu uzyskanym w naszym Instytucie Wysokich Ciśnień.

Następnie [zadanie 3] wykorzystamy materiał nanoporowaty do badania interesujących efektów kwantowych związanych ze sprzężeniem światła z fononami i ekscytonami w strukturze, gdzie obecne są pory o rozmiarach poniżej 10 nm. Będziemy badać fotoluminescencję i katodoluminescencję w niskich temperaturach, a także prowadzać badania z użyciem spektroskopii Ramana.

W projekcie zaproponujemy także [zadanie 4] wytworzenie nowych rodzajów struktur, takich jak nanoporowate studnie kwantowe (QW), które powinny dać możliwość badania wpływu ciśnienia hydrostatycznego/jednoosiowego na właściwości optyczne. Oczekujemy przesunięcia ku czerwieni piku luminescencji z powodu niższego stanu naprężeń w studni kwantowej i wyższej wydajności ekstrakcji światła. Ma to istotne znacznie dla potencjalnych zastosowań w produkcji emiterów azotków o większej długości fali. Chcemy również wykorzystać pola elektryczne w heterostrukturach azotkowych, które prowadzą do powstania dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) i gazu dziurowego (2DHG). Zbadamy możliwość wykorzystania dziur o dużej gęstości na interfejsie w strukturze GaN/AlGaN do trawienia GaN. Przetestujemy ECE jako technikę do wykrywania obecności 2DHG. Ponadto, jeśli trawienie 2DHG będzie możliwe, otworzy to drogę do „inteligentnego cięcia” struktur opartych na GaN przez ECE z atomową precyzją. Zauważmy, że GaN ma pola elektryczne, które nie są obecne w innych półprzewodnikach, i możemy to wykorzystać, pokazując nowe efekty, których nie można zaobserwować w innych układach materiałowych.


Publikacje

Projekt realizowany w latach 2020-2023


Zespół badawczy
dr Marta Sawicka