| Tytuł: | Inżynieria współczynnika załamania azotku galu poprzez ultra-wysokie domieszkowanie germanem dla nowych struktur fotonicznych emiterów światła |
| Kierownik projektu: | Dario Schiavon |
| Laboratorium: | Laboratorium Przyrządów Optoelektronicznych (NL-15) |
| Nazwa konkursu, programu: | MINIATURA |
| Numer projektu: | 2019/03/X/ST5/01907 |
| Data realizacji: | 19.12.2019 31.01.2021 |
| Podmiot realizujący: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Typ realizacji projektu: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Przyznane środki ogółem: | 49500 zł |
| Przyznane środki dla podmiotu: | 49500 zł |
| Instytucja finansująca: | Narodowe Centrum Nauki |
Opis projektu
| Konstrukcja wielu nowoczesnych urządzeń optoelektronicznych opiera się na zasadzie prowadzenia światła za pomocą warstw materiałów o różnym współczynniku załamania światła. W diodach laserowych o emisji krawędziowej falowód jest tworzony przez warstwę „rdzenia” o wyższym współczynniku załamania umieszczonym pomiędzy dwoma warstwami „okładkowymi” o niższym współczynniku załamania. Współczynnik załamania światła jest zwykle kontrolowany przez zmianę składu chemicznego warstwy. I tak na przykład stopy mieszanych półprzewodników azotkowych AlN i GaN (AlGaN) mogą mieć współczynnik załamania o wartości pomiędzy 2,19 a 2,54 (dla długości fali λ = 415 nm). Jednak warstwy monolitycznej heterostruktury muszą mieć równocześnie dopasowane stałe sieci, aby umożliwić uzyskanie wysokiej jakości urządzeń. Jest to łatwo do osiągnięcia dla związków arsenu, ponieważ dokładne dopasowanie sieci pomiędzy stopami AlGaAs zapewnia swobodę zmieniania składu Al pomiędzy warstwami bez wprowadzania naprężeń mechanicznych. Jest to jednak duże wyzwanie dla azotków: stałe sieci podwójnych stopów AlN, GaN i InN są wyraźnie różne, więc nakładanie warstw różnych stopów musi wprowadzać naprężenia mechaniczne w heterostrukturę, co prowadzi do zginania płytki półprzewodnikowej (Ryc. 1). Takie wygięcie powodując problemy w kolejnych etapach przetwarzania (processing), takich jak użycie masek fotolitograficznych i montaż przyrządów. Co gorsza, jeśli odkształcenie przekroczy krytyczne wartości dla materiału, warstwa zrelaksuje, tworząc pęknięcia i dyslokacje niedopasowania. Dlatego im wyższy jest kontrast współczynnika załamania, tym większe jest prawdopodobieństwo wytworzenia defektów w strukturze. W ramach tego projektu proponujemy nowe podejście do zmniejszenia współczynnika załamania światła n w warstwach azotkowych, polegające na domieszkowaniu donorami do poziomu 2×1020 cm−3. W tym celu wykorzystamy niekonwencjonalną domieszkę donorową: german. Podczas gdy typowa domieszka: krzem, nie może być stosowana w stężeniach wyższych niż 6×1019 cm−3 bez zepsucia wzrostu epitaksjalne (utrata gładkości warstw i interfejsów, defekty i pęknięcia), warstwy silne domieszkowanie germanem wydają się wolne od tego typu problemów [1]. Tak silnie domieszkowane warstwy nazywane są plazmonicznymi, ponieważ ich swobodne elektrony zachowują się jak plazma elektronowa. Zmniejszenie współczynnika załamania światła przy wysokim poziomie domieszkowania, znane jako efekt plazmoniczny, polega na dwóch zjawiskach fizycznych indukowanych obecnością plazmy swobodnych elektronów, które mogą zmieniać wartość n bez zmiany stałych sieci krystalicznej półprzewodnika. Pierwszym efektem jest zmiana przenikalności dielektrycznej spowodowana oddziaływaniem pola elektromagnetycznego z drganiami podłużnymi plazmy elektronowej [2]. Drugi to efekt Bursteina–Mossa, polegający na wypełnieniu pasma przewodzenia powodującego przesunięcie półprzewodnikowej krawędzi absorpcji (którą następnie równania Kramersa–Kroniga łączy z przesunięciem rzeczywistej części współczynnika załamania). Oba efekty zmniejszają współczynnik załamania materiału. Ustalenie, który z nich jest dominujący, jest kwestią badań, którą zamierzamy podjąć. Symulacje wykonane dla nas przez prof. Tomasza Czyszanowskiego z Uniwersytetu Łódzkiego pokazują, że spadek wartości n w warstwach plazmonicznych jest wystarczający do zastąpienia warstw AlGaN ze składem Al wynoszącym 8%. Pierwszym celem projektu jest optymalizacja wzrostu wysokiej jakości warstw GaN:Ge hodowanych metodą epitaksji ze związków metaloorganicznych. Jakość warstw zostanie zbadana za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM), poziom domieszkowania za pomocą spektroskopii masowej jonów wtórnych (SIMS), gęstość swobodnych nośników za pomocą pomiarów efektu Halla. Współczynnik załamania światła będzie mierzony za pomocą reflektometrii i elipsometrii. Drugim celem jest przetestowanie skuteczności warstw plazmonicznych GaN:Ge jako dolnej warstwy okładkowej diody laserowej z warstwą aktywną InGaN/GaN. Oczekuje się, że obecność plazmy elektronowej zmniejszy wymaganą ilość Al w okładzinach, i odpowiadające im niedopasowanie stałych sieci, praktycznie do zera. Trzecim celem jest ustalenie, które z oddziaływań foton–plazmon czy efekt Bursteina–Mossa jest głównie odpowiedzialny za zmianę wartości n. Jeśli wszystkie te cele zostaną osiągnięte, to nie tylko wyjaśnimy ważny problem fizyczny ale także stworzymy podstawy nowej praktycznej technologii wytwarzania azotkowych diod laserowych, eliminując efekty takie jak wygięcie płytek epitaksjalnych, czy ograniczoną dokładność procesów fotolitograficznych. Nowe rozwiązanie powinno poprawić również żywotność przyrządów. Wszystkie zadania (z wyjątkiem analityki SIMS) mogą być wykonywane wewnętrznie przez nasz Instytut i powinny być możliwe do realizacji w ciągu 12 miesięcy. Projekt ten utoruje drogę do dalszych badań nad diodowymi laserami azotkowymi wolnymi od Al i innymi aplikacjami, które wymagają wielowarstwowych systemów dopasowanych sieciowo i o zmiennym współczynniku załamania: takich jak zwierciadła Bragga w azotkowych laserach o emisji powierzchniowej (VCSEL). |