Projekt TeamTech
„Złącza tunelowe i ich zastosowanie dla optoelektroniki opartej o azotek galu”

Opis programu

Projekt jest realizowany w ramach programu TeamTech Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Program TEAM-TECH współfinansowany w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój (PO IR) oraz Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Program ten kierowany jest do zespołów badawczych prowadzonych przez wybitnych uczonych realizujących projekty B+R związanych z powstaniem produktu lub procesem produkcyjnym (technologicznym lub wytwórczym) o dużym znaczeniu dla gospodarki.


Cel projektu

Celem projektu jest zbadanie nowej koncepcji złączy tunelowych p-n oraz zastosowań tych złączy do połączeń w konstrukcjach innowacyjnych urządzeń optoelektronicznych opartych o azotek galu (GaN). Przykładowe przyrządy, w których można zastosować wyniki projektu to: przyjazne dla oka wielokolorowe diody elektroluminescencyjne LED, wertykalne diody laserowe, kaskady diod laserowych o wysokiej mocy, nowe wydajne ogniwa fotowoltaiczne czy wertykalne tranzystory n-p-n.

Urządzenia te wytwarzane będą przy pomocy technologii epitaksji z wiązek molekularnych przy użyciu plazmy azotowej. Projekt zakłada współpracę pomiędzy Instytutem Wysokich Ciśnień PAN, Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Wydziałem Fizyki Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetami w Madrycie, w Montpellier oraz z prywatną firmą TopGaN Sp. z. o. o., która jest producentem azotkowych diod laserowych.

Innowacyjny element projektu stanowi taka konstrukcja złącza tunelowego p-n, która sprawia, że rośnie efektywność tunelowania nośników poprzez złącze i tym samym spada znacząco jego opór. W szczególności przełomowym czynnikiem jest wykorzystanie silnych pól elektrycznych, obecnych w związkach krystalizujących w strukturze wurcytu na modyfikację parametrów azotkowych złącz tunelowych.

W ramach niniejszego projektu pragniemy wytworzyć m. in.: krawędziowe diody laserowe na zakres 480-490 nm z tzw. rozłożonym sprzężeniem zwrotnym (DFB – Distributed Feedback), kaskadowe wielokolorowe diody elektroluminescencyjne LED. Sprawdzana będzie również koncepcja zastosowania złączy tunelowych w monolitycznych wertykalnych diodach laserowych o emisji powierzchniowej (VCSELs).


Zespół badawczy

Zespół badawczy proejktu TeamTECH tworzą eksperci w dziedzinie epitaksji z wiązek molekularnych MBE, fizyki laserów, modelowania teoretycznego, a także processingu laserowego:

prof dr hab. Czesław
Skierbiszewski
dr inż. Grzegorz
Muzioł
dr inż. Marta
Sawicka
dr inż. Marcin
Siekacz
mgr Anna
Feduniewicz-Żmuda
mgr inż. Krzesimir
Nowakowski-Szkudlarek
mgr inż. Maciej
Mikosza
mgr inż. Mateusz
Hajdel
inż. Mikołaj
Żak
inż. Julia
Sławińska
inż. Mikołaj
Chlipała




















































Współpraca w Projekcie

Projekt realizowany jest we współpracy z kilkoma partnerami:


Publikacje

Projekt realizowany jest w latach 2017-2020

W ramach prac nad Projektem opublikowane zostały nastepujące prace:

  1. “Nitride LEDs and Lasers with Buried Tunnel Junctions”, By H. Turski, M. Siekacz, G. Muziol, M. Hajdel, S. Stanczyk, M. Zak, M. Chlipala, C. Skierbiszewski, S. Bharadwaj, HG. Xing, D. Jena, ECS Journal of Solid State Science and Technology, Volume: 9, Issue: 1, Article Number: 015018, Published: DEC 5 2019, DOI: 10.1149/2.0412001JSS,
  2. “Enhanced injection efficiency and light output in bottom tunnel-junction light-emitting diodes” By: S. Bharadwaj, J. Miller, K. Lee, J. Lederman, M. Siekacz, HL. Xing, D. Jena, C. Skierbiszewski, H. Turski, OPTICS EXPRESS, Volume: 28, Issue: 4, Pages: 4489-4500, Published: FEB 17 2020 10.1364/OE.384021
  3. “Influence of InGaN waveguide on injection efficiency in III-nitride laser diodes”, M. Hajdel, G. Muziol, K Nowakowski-Szkudlarek, M. Siekacz, P. Wolny, C. Skierbiszewski , Optica Applicata, Vol. L, No. 2, 2020 , Published January 2020
  4. “Optimization of p-type contacts to InGaN-based laser diodes and light emitting diodes grown by plasma assisted molecular beam epitaxy”, by K. Nowakowski-Szkudlarek, G. Muziol, M. Zak, M. Hajdel, M. Siekacz, A. Feduniewicz-Zmuda, C. Skierbiszewski, Optica Applicata, Vol. L, No. 2, 2020, DOI: 10.37190/oa200215 (Published January 2020)
  5. “Anomalous photocurrent in wide InGaN quantum wells” By: A. Bercha, Artem, W. Trzeciakowski, G. Muziol, M. Siekacz, C. Skierbiszewski, OPTICS EXPRESS, Volume: 28, Issue: 4, Pages: 4717-4725, Published: FEB 17 2020 10.1364/OE.382646
  6. “Influence of Electron Blocking Layer on Properties of InGaN-Based Laser Diodes Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy”, Hajdel, M.; Muziol, G.; Nowakowski-Szkudlarek, K.; Siekacz, M.; Feduniewicz-Zmuda, A., Wolny, P. , Skierbiszewski, C., Acta Phys Polon A Volume: 136, Issue: 4, Pages: 592-596, DOI: 10.12693/APhysPolA.136.593
  7. „Inhomogeneous broadening of optical transitions observed in photoluminescence and modulated reflectance of polar and non-polar InGaN quantum wells”, Michał Jarema, Marta Gładysiewicz, Łukasz Janicki, Ewelina Zdanowicz, Henryk Turski, Grzegorz Muzioł, Czesław Skierbiszewski, and Robert Kudrawiec, J. Appl. Phys. 127, 035702 (2020); doi: 10.1063/1.5121368 (Published 16 January 2020)
  8. „Vertical Integration of Nitride Laser Diodes and Light Emitting Diodes by Tunnel Junctions”, by Marcin Siekacz, Grzegorz Muziol, Henryk Turski, Mateusz Hajdel , Mikolaj Zak, Mikolaj Chlipała, Marta Sawicka , Krzesimir Nowakowski-Szkudlarek, Anna Feduniewicz-Z˙muda, Julita Smalc-Koziorowska, Szymon Stanczyk and Czeslaw Skierbiszewski, MPDI Electronics 2020, 9(9), 1481
  9. “Nitride light-emitting diodes for cryogenic temperatures”, by M. Chlipala, H. Turski, M. Siekacz, K. Pieniak, K. Nowakowski-Szkudlarek, T. Suski, C. Skierbiszewski, Optics Express, Vol. 28, 30300, (2020), Published 25 September 2020
  10. “InGaN blue light emitting micro-diodes with current path defined by tunnel junction”, by Krzysztof Gibasiewicz, Agata Bojarska-Cieślińska, Grzegorz Muzioł, Czesław Skierbiszewski, Szymon Grzanka, Anna Kafar, Piotr Perlin, Stephen Najda, and Tadeusz Suski, Optics Letters Vol. 45, Issue 15, pp. 4332-4335 (2020)
  11. “Revealing inhomogeneous Si incorporation into GaN at the nanometer scale by electrochemical etching” By: M. Sawicka, N. Fiuczek, H. Turski, G. Muziol, M. Siekacz, K. Nowakowski-Szkudlarek, A. Feduniewicz-Zmuda, P. Wolny, C. Skierbiszewski, NANOSCALE, Volume: 12, Issue: 10, Pages: 6137-6143, Published: MAR 14 2020 10.1039/c9nr10968d
  12. Stack of two III-nitride laser diodes interconnected by a tunnel junction, M. Siekacz, G. Muziol, M. Hajdel, M. Żak, K. Nowakowski-Szkudlarek, H. Turski, M. Sawicka, P. Wolny, A. Feduniewicz-Żmuda, S. Stanczyk, J. Moneta, and C. Skierbiszewski, Opt. Express 27, 5784-5791 (2019)
  13. Extremely long lifetime of III-nitride laser diodes grown by plasma assisted molecular beam epitaxy, By: G. Muzioł, M. Siekacz, K. Nowakowski-Szkudlarek, M. Hajdel, J. Smalc-Koziorowska, A. Feduniewicz-Żmuda, E. Grzanka, P. Wolny, H. Turski, P. Wiśniewski, P. Perlin, C. Skierbiszewski, Materials Science in Semiconductor Processing 91, 387-391 Published: MAR 2019
  14. True-blue laser diodes with tunnel junctions grown monolithically by plasma-assisted molecular beam epitaxy, C. Skierbiszewski, G. Muziol, K. Nowakowski-Szkudlarek, H. Turski, M. Siekacz, A. Feduniewicz-Zmuda, A. Nowakowska-Szkudlarek, M. Sawicka, and P. Perlin, Applied Physics Express 11, 034103 (2018)
  15. Growth rate independence of Mg doping in GaN grown by plasma-assisted MBE, H. Turski, G. Muzioł, M. Siekacz, P. Wolny, K. Szkudlarek, A. Feduniewicz-Żmuda, K. Dybko, and C. Skierbiszewski, Journal of Crystal Growth 482, 56 (2018)
  16. Aluminum-free nitride laser diodes: waveguiding, electrical and degradation properties,G. Muziol, H. Turski, M. Siekacz, P. Wolny, J. Borysiuk, S. Grzanka, P. Perlin, and C. Skierbiszewski, Optics Express 25, 33113 (2017)
Rozdziały w książkach:

“Laser Diodes Grown by Molecular Beam Epitaxy” by G. Muziol, H. Turski, M. Siekacz, M. Sawicka and C. Skierbiszewski, in Nitride Semiconductor Technology, Power Electronics and Optoelectronic Devices, edited by Fabrizio Roccaforte and Mike Leszczynski (2020) , Wiley – VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim, Germany, ISBN 978-3-527-34710-0


Niebieskie lasery MBE ze złączem tunelowym w centrum uwagi czytelników Applied Physics Express

Edytorzy renomowanego czasopisma publikującego najnowsze osiągnięcia fizyki stosowanej - Applied Physics Express - wyróżnili pracę o laserach ze złączem tunelowym autorstwa grupy MBE z Unipressu we współpracy z firmą TopGaN. Jest to dowód uznania, iż raportowane w pracy osiągnięcia są niezwykle interesujące i warto udostępnić ją szerokiemu gronu czytelników. Artykuły wyróżnione w sekcji „Spotlights” mają charakter Open Access.

Dzięki zastosowaniu złącza tunelowego w konstrukcji diody laserowej można ominąć problematyczną technologicznie metalizację do typu p. Dodatkowo, takie rozwiązanie otwiera nowe możliwości w konstrukcji innowacyjnych przyrządów, takich jak kaskady wielu diod laserowych oraz lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym. Zachęcamy do przeczytania po kliknięciu w obrazek

Podwójna dioda laserowa ze złączem tunelowym

Zademonstrowana została podwójna dioda laserowa, w której dwa lasery połączone są za pomocą złącza tunelowego. Największą zaletą kaskad diod laserowych jest niezwykle wysoka sprawność różniczkowa. Cała struktura została wytworzona za pomocą techniki epitaksji z wiązek molekularnych z użyciem plazmy azotowej (PAMBE). W pracy zbadano wpływ konstrukcji złącza tunelowego na oporność różniczkową. Pokazano, iż dzięki zastosowaniu silnego domieszkowania i silnych pól piezoelektrycznych można znacząco obniżyć napięcie pracy przyrządu. Laserowanie obserwowane jest na długości fali 459 nm przy sprawności 0.7 W/A, a po przekroczeniu progu laserowania drugiego lasera obserwowane jest też na długości fali 456 nm i podwojonej sprawności 1.4 W/A. Demonstracja podwójnego lasera otwiera możliwości integracji wielu azotkowych diod laserowych emitujących od ultrafioletu do światła widzialnego pracujących w trybie impulsowym. Podobnie atrakcyjną perspektywą jest integracja wielu laserów o tej samej długości fali w celu otrzymania przyrządu emitującego ultra-wysoką moc optyczną.

(a) widmo emisji pojedynczego lasera, (b) widmo emisji z obu wertykalnie zintegrowanych diod laserowych, (c) zależność mocy optycznej od natężenia prądu