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
• mgr inż. Krzysztof Gołyga - doktorant

Współpraca w Projekcie

Projekt realizowany jest we współpracy z kilkoma partnerami:

• Faculty of Physics, Warsaw University (FP WU) - prof. dr hab Marek Potemski
• TopGaN sp. z.o.o. - prof. dr hab. Michał Leszczyński
• ISOM Universidad Politécnica de Madrid - prof. Enrique Calleja
• Department of Experimental Physics, Wrocław University of Technology (DEP WUT) - prof. dr hab. Robert Kudrawiec
• Laboratoire Charles Coulomb, CNRS- Montpellier University 2 (L2C MU) - dr hab. Wojciech Knap
• Politechnika Gdańska, Wydział Fizyki i Matematyki Stosowanej (W.FTiMS), Katedra Fizyki Ciała Stałego, Centrum Nanotechnologii Politechniki Gdańskiej - dr hab. inż. Barbara Kościelska, prof PG oraz prof. dr hab. inż. Wojciech Sadowski
  
  

  

  

Publikacje

Projekt realizowany jest w latach 2017-2020

W ramach prac nad Projektem opublikowane zostały nastepujące prace:

1. Ion implantation of tunnel junction as a method for defining the aperture of III-nitride-based micro-light-emitting diodes By: J. Slawinska, G. Muziol, M. Siekacz, H. Turski, M. Hajdel, M. Zak, A. Feduniewicz-Zmuda, G. Staszczak, and C. Skierbiszewski, Optics Express Vol. 30, Issue 15, pp. 27004-27014 (2022) Published July 2022
2. Evolution of a dominant light emission mechanism induced by changes of the quantum well width in InGaN/GaN LEDs and LDs By: K. Pieniak, W. Trzeciakowski, G. Muzioł, A. Kafar, M. Siekacz, C. Skierbiszewski, and T. Suski, Optics Express 29, 40804-40818 (2021).
3. Electrically pumped blue laser diodes with nanoporous bottom cladding By: M. Sawicka, G. Muziol, N.Fiuczek, M.Hajdel, M. Siekacz, A. Feduniewicz-Żmuda, K. Nowakowski-Szkudlarek, P. Wolny, M. Żak, H. Turski, C. Skierbiszewski.. Opt. Express 30, …. 2022
4. III-nitride optoelectronic devices containing wide quantum wells—unexpectedly efficient light sources By: G. Muziol, M. Hajdel, M. Siekacz, H. Turski, K. Pieniak, A. Bercha, W. Trzeciakowski, R. Kudrawiec, T. Suski, and C. Skierbiszewski, Jpn. J. Appl. Phys. 61(2022) 1.Dependence of InGaN Quantum Well Thickness on the Nature of Optical Transitions in LEDs By: M. Hajdel, M. Chlipała, M. Siekacz, H. Turski, P. Wolny, K. Nowakowski-Szkudlarek, A. Feduniewicz-Żmuda, C. Skierbiszewski, and G. Muziol Materials 15, 237 (2022)
5. Tunnel Junctions with a Doped (In,Ga)N Quantum Well for Vertical Integration of III-Nitride Optoelectronic Devices By M. Żak, G. Muziol, H. Turski, M. Siekacz, K. Nowakowski-Szkudlarek, A. Feduniewicz-Żmuda, M. Chlipała, A. Lachowski, and C. Skierbiszewski, Physical Review Applied 15, 024046 (2021)
6. Quantum-confined Stark effect and mechanisms of its screening in InGaN/GaN light-emitting diodes with a tunnel junction By: K. Pieniak, M. Chlipala, H. Turski, W. Trzeciakowski, G. Muziol, G. Staszczak, A. Kafar, I. Makarowa, E. Grzanka, S. Grzanka, C. Skierbiszewski, and T. Suski, Optics Express 29, 1824-1837 (2021).
7. Distributed-feedback blue laser diode utilizing a tunnel junction grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy By: G. Muziol, M. Hajdel, H. Turski, K. Nomoto, M. Siekacz, K. Nowakowski-Szkudlarek, M. Żak, D. Jena, H. G. Xing, P. Perlin, and C. Skierbiszewski Optics Express 28, 35321-35329 (2020)
8. 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, Volume: 28, Issue: 20, Pages: 30299-30308, Published: SEP 28 2020 10.1364/OE.403906
9. Vertical Integration of Nitride Laser Diodes and Light Emitting Diodes by Tunnel Junctions By: M. Siekacz, G. Muziol, H. Turski, M. Hajdel, M. Żak, M. Chlipała, M. Sawicka, K. Nowakowski-Szkudlarek, A. Feduniewicz-Żmuda, J. Smalc-Koziorowska, S. Stańczyk, C. Skierbiszewski, Electronics, 9 1481 (2020)10.3390/electronics9091481
10. 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] (https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-28-4-4489&id=426518)
11. Inhomogeneous broadening of optical transitions observed in photoluminescence and modulated reflectance of polar and non-polar InGaN quantum wells By: M. Jarema, M. Gladysiewicz, L. Janicki, E. Zdanowicz, H. Turski, G. Muziol, C. Skierbiszewski, R. Kudrawiec, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Volume: 127, Issue: 3, Article Number: 035702, Published: JAN 21 2020 10.1063/1.5121368
12. 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, 10.1149/2.0412001JSS
13. Influence of InGaN waveguide on injection efficiency in III-nitride laser diodes By: M. Hajdel, G. Muziol, K Nowakowski-Szkudlarek, M. Siekacz, P. Wolny, C. Skierbiszewski , Optica Applicata, Vol. L, No. 2, 2020 , Published January 2020
    
14. 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)
    
15. 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
16. Influence of Electron Blocking Layer on Properties of InGaN-Based Laser Diodes Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy By: 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
    
17. 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) 10.1364/OL.394629
18. 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
19. Stack of two III-nitride laser diodes interconnected by a tunnel junction By: 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) 10.1364/OE.27.005784
20. 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 10.1016/j.mssp.2018.12.011
21. True-blue laser diodes with tunnel junctions grown monolithically by plasma-assisted molecular beam epitaxy By: 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) 10.7567/APEX.11.034103
22. Growth rate independence of Mg doping in GaN grown by plasma-assisted MBE By: 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) 10.1016/j.jcrysgro.2017.11.001
23. Aluminum-free nitride laser diodes: waveguiding, electrical and degradation properties By:G. Muziol, H. Turski, M. Siekacz, P. Wolny, J. Borysiuk, S. Grzanka, P. Perlin, and C. Skierbiszewski, Optics Express 25, 33113 (2017) 10.1364/OE.25.033113
    

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.