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 - Kierownik Projektu
• dr inż. Grzegorz Muzioł - PostDoc
• mgr inż. Krzesimir Nowakowski-Szkudlarek - doktorant
• mgr inż. Maciej Mikosza - doktorant
• mgr Anna Feduniewicz-Żmuda - pracownik naukowo-techniczny
• dr inż. Marcin Siekacz - pracownik naukowo-techniczny
• dr inż. Marta Sawicka - PostDoc-wolontariusz
• mgr inż. Mateusz Hajdel - student
• mgr inż. Mikołaj Żak - student
• inż. Julia Sławińska - student
• inż. Mikołaj Chlipała - student

Współpraca w Projekcie

Projekt realizowany jest we współpracy z kilkoma partnerami:

• Faculty of Physics, Warsaw University (FP WU)
• TopGaN sp. z.o.o.
• ISOM Universidad Politécnica de Madrid
• Department of Experimental Physics, Wrocław University of Technology (DEP WUT)
• Laboratoire Charles Coulomb, CNRS- Montpellier University 2 (L2C MU)
• Politechnika Gdańska, Wydział Fizyki i Matematyki Stosowanej

Publikacje

Projekt realizowany jest w latach 2017-2019

W ramach prac nad Projektem opublikowane zostały nastepujące prace:

1. 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)
2. 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
3. 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)
   
4. 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)
   
5. 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)
   

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.