| Tytuł: | Rozwój wysokiej jakości InAlN - droga do laserów azotkowych wolnych od naprężeń |
| Kierownik projektu: | Marta Sawicka |
| Laboratorium: | Laboratorium Epitaksji MBE (NL-14) |
| Nazwa konkursu, programu: | POWROTY |
| Numer projektu: | POIR.04.04.00-00-4463/17 |
| Data realizacji: | 01.05.2018 29.11.2021 |
| Podmiot realizujący: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Typ realizacji projektu: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Przyznane środki ogółem: | 798 600 zł |
| Przyznane środki dla podmiotu: | 798 600 zł |
| Instytucja finansująca: | Fundacja na rzecz Nauki Polskiej |
Opis projektu
| Celem Projektu jest opracowanie metody wytwarzania jednorodnego materiału InAlN o składzie 17% In i 83% Al do zastosowań w laserach emitujących światło widzialne 400-650 nm. Ogromną zaletą InAlN o tym składzie jest to, iż ma tę samą stałą sieci (odległość międzyatomową) jak podłoże GaN, a jednocześnie ma mniejszy współczynnik załamania światła zatem w strukturach diod laserowych materiał ten ma duże zastosowanie dla kształtowania propagacji modów optycznych jednocześnie nie powodując naprężeń strukturalnych. Do tej pory nie opracowano skutecznego sposobu, który pozwoliłby otrzymać ten materiał o wystarczającej jakości, aby mógł mieć zastosowanie w komercyjnych przyrządach. Nasz Projekt ma szanse to zmienić. Aby wytworzyć InAlN o jednorodnym składzie trzeba wybrać takie warunki wzrostu, w których atomy mogłyby poruszać się po powierzchni kryształu i wbudowywać we właściwe miejsca. Jest to dużym wyzwaniem, ponieważ atomy indu słabo wiążą się z kryształem, a atomy aluminium z kolei odwrotnie, bardzo słabo dyfundują po powierzchni. W konsekwencji obserwowane są nanometrycznych rozmiarów wyspy bogate w Al, otoczone obszarami o niskim składzie Al. Co stanowi o innowacyjności projektu? Do realizacji Projektu zastosujemy technologię epitaksji z wiązek molekularnych z plazmą azotową (PAMBE), w której nie ma wodoru. Aby zrozumieć mechanizm wzrostu i znaleźć optymalne warunki do wytwarzania wysokiej jakości warstw InAlN optymalizować będziemy temperaturę, ilość i proporcje dostarczanych na powierzchnię atomów In, Al i N oraz orientację krystalograficzną podłoża. Aby otrzymać jednorodny skład chemiczny warstw InAlN zastosujemy trzy innowacyjne podejścia: Będziemy prowadzić wzrost na podłożach GaN o wąskich tarasach atomowych – wówczas skrócimy konieczną drogę dyfuzji mało ruchliwych atomów Al i zmniejszy się anizotropia wzrostu. Użyjemy bardzo silnego strumienia azotu, dzięki czemu możliwe będzie zbadanie szerszego zakresu temperatur oraz prędkości wzrostu niż dotychczas. Zastosujemy podłoża o małej ilości dyslokacji, wokół których uważa się, że mogą powstawać niejednorodności składu. Projekt opiera się na kilkunastoletnim doświadczeniu we wzroście półprzewodników azotkowych w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN. Badania eksperymentalne wspierane będą przez naukowców z Politechniki w Madrycie oraz grupę fizyków teoretyków z Instytutu Fizyki PAN. Zastosujemy metodę Monte-Carlo do symulacji morfologii powierzchni warstw InAlN, co pozwoli nam lepiej zrozumieć mikroskopowe procesy podczas epitaksji. Wyniki otrzymane w ramach projektu będą przetestowane na realnych strukturach diod laserowych, które zostaną przygotowane we współpracy z firmą TopGaN. Porównamy działanie laserów o długości fali 450 nm z okładkami InAlN oraz dotychczas stosowanymi okładkami AlGaN. Najważniejszym efektem, jaki uzyskamy dzięki temu, że opracujemy metodę wytwarzania wysokiej jakości InAlN będzie (a) poprawa parametrów optycznych wiązki światła laserowego i eliminacja wycieku światła do podłoża dla laserów o emisji krawędziowej przez zastąpienie AlGaN w warstwach okładkowych wokół obszaru aktywnego lasera oraz (b) rewolucja w myśleniu o komercyjnej produkcji laserów o emisji powierzchniowej (vertical surface emitting lasers VCSELs) - umożliwienie monolitycznego wytwarzania struktur laserowych. Paleta zastosowań laserów azotkowych jest naprawdę szeroka. Najważniejsze i stale rosnące na znaczeniu to projekcja obrazu 2D i 3D. Dzięki bardzo małej plamce lasera, wiązkę światła laserowego można z łatwością formować, a kontrast koloru, dynamika obrazu i niezawodność pracy są nieporównywalnie lepsze do wcześniej stosowanych systemów projekcji opartych o lampy rtęciowe czy ksenonowe. Za pomocą światła laserowego utwardzane są polimery w fotolitografii, w medycynie m.in. w optogenetyce lasery stosowane są do optycznej stymulacji nerwu słuchowego. Ważnym zastosowaniem są też profesjonalne, wysokorozdzielcze drukarki, nowoczesne czujniki, systemy optycznego zapisu danych, w motoryzacji np. BMW produkuje lampy w oparciu o diody laserowe w modelu i8. Rośnie potrzeba szybkiego przesyłania informacji w telekomunikacji światłowodowej, gdzie lasery azotkowe mają zastosowanie, a także do technologii Li-FI oraz IoT – Internet of Things. Zaletą laserów opartych na GaN są także miniaturowe rozmiary przyrządów, długi czas życia, wysoka stabilność termiczna i odporność na trudne warunki pracy. Wyniki naszego projektu mogą nie tylko poprawić parametry optyczne laserów, ale otworzyć drogę do masowej produkcji laserów azotkowych VCSEL. |