Supersieci na zrelaksowanych, porowatych podłożach GaN dla wydajnych czerwonych mikroLEDów o stabilnej długości fali emisji

Głównym celem tego projektu jest zbadanie i opracowanie nowej generacji struktur mikro-LED (μLED) zdolnych do emisji w zakresie długich fal (powyżej 570 nm) z dużym potencjałem osiągnięcia czerwonej części widma widzialnego. Oczekuje się, że μLED będą łączyć wysoką jasność, wydajność, szybkie przełączanie i małe rozmiary. Są one idealne do zastosowań biomedycznych, czujnikowych i wyświetlaczy. Czerwone μLED cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na ich potencjalne zastosowania w optogenetyce, interfejsach neuronowych i fototerapii dzięki głębokiej penetracji tkanek. Czerwone μLED służą również jako precyzyjne źródła światła w czujnikach i systemach typu „lab-on-chip” i są badane pod kątem zastosowania w szybkich wyświetlaczach VLC i Li-Fi lub RGB. Obecnie czerwone diody μLED InGaN stoją przed kilkoma kluczowymi wyzwaniami. Osiągnięcie czerwonej emisji wymaga wysokiej zawartości indu, co powoduje znaczne naprężenia i prowadzi do defektów kryształów, które obniżają jakość materiału i wydajność. To odprężenie powoduje dyslokacje, które zmniejszają żywotność nośników i wydajność kwantową, co skutkuje zwiększoną rekombinacją niepromienistą i niższą jasnością. Aby sprostać tym wyzwaniom i promować większe włączenie indu, znaczna część badań skupiła się na zmniejszeniu naprężeń ściskających. Najbardziej obiecującym podejściem (wśród innych) jest zastosowanie porowatych pseudopodłoży, które umożliwiają relaksację sprężystą. Relaksacja ta nie tylko zmniejsza naprężenie, ale także prowadzi do zmniejszenia liczby defektów, które obniżają wydajność emisji. Aby rozwiązać te problemy, proponujemy innowacyjne podejście polegające na zastosowaniu supersieci (SL) InGaN/InGaN o różnej geometrii w obszarze aktywnym, wyhodowanych na precyzyjnie zaprojektowanych porowatych pseudopodłożach. Poprzez staranne dobranie szerokości studni kwantowych (QW) i barier kwantowych (QB), wraz z projektowaniem dostosowanych do potrzeb porowatych podłoży, dążymy do umożliwienia większego włączenia indu, zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i uzyskania wysoce wydajnych urządzeń optoelektronicznych. Obszar aktywny będzie składał się z zestawu SL InxGa1-xN/InyGa1-yN o różnych geometriach i wyjątkowo wąskich QW o szerokości 0,5-2 nm, zmiennej zawartości indu x>0,16 oraz barierami kwantowymi (QBs) o szerokości 0,75-5 nm i y<0,1. Aby zmniejszyć naprężenia, proponujemy zastosowanie porowatych pseudopodłoży. Realizacja projektu polega na wykonaniu następujących zadań: • Optymalizacja właściwości optoelektronicznych poprzez symulacje struktur testowych (diod LED) z regionem aktywnym opartym na SL. Wstępna optymalizacja struktury – WP1. • Przygotowanie i optymalizacja pseudopodłoży z porowatymi warstwami GaN – WP2; • Epitaksja i przetwarzanie struktur testowych diod LED i μLED z SL jako regionem aktywnym o różnych geometriach. Optymalizacja warunków wzrostu – WP3. Struktury kwantowe badane w ramach tego projektu będą wytwarzane metodą epitaksji z wiązką molekularną wspomaganą plazmą (PA-MBE) na wysokiej jakości podłożach GaN. Porowate pseudopodłoża będą wytwarzane techniką ECE z różnymi poziomami porowatości. Analizy strukturalne będą przeprowadzane za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM), dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i mikroskopii sił atomowych (AFM). Właściwości optyczne, w tym energie emisji, szerokość widma, pola wewnętrzne i efekty piezoelektryczne, będą badane za pomocą foto- i katodoluminescencji w różnych temperaturach, przy różnych mocach lasera wzbudzającego i ciśnieniach hydrostatycznych. Właściwości elektryczne diod LED będą badane za pomocą pomiarów L-I i U-I. Dodatkowo przeprowadzone zostaną badania teoretyczne struktur, a właściwości elektroniczne i optyczne zostaną obliczone metodami ab initio i symulowane przy użyciu komercyjnego oprogramowania. Azotki SL pozostają innowacyjną i stosunkowo niezbadaną klasą struktur kwantowych. Według naszej najlepszej wiedzy, nie ma opublikowanych raportów dotyczących wykorzystania azotków SL (jako obszaru aktywnego) wyhodowanych na porowatych pseudopodłożach do długofalowych μLED. Nowatorskie podejście zaproponowane w tym projekcie, łączące zaprojektowane architektury obszaru aktywnego ze specjalnie zaprojektowanymi pseudopodłożami, ma na celu spełnienie specyficznych wymagań dla zastosowań μLED. Osiągnięcie emisji przy długich falach posłuży jako potwierdzenie słuszności koncepcji, w szczególności wykazując wykonalność zastosowania krótkich SL w μLED nowej generacji emitujących światło czerwone. Praca ta będzie stanowić nowy i cenny wkład w aktualny stan wiedzy w dziedzinie technologii emitujących światło, a także może przyczynić się do postępu w podstawowych badaniach w dziedzinie optoelektroniki opartej na półprzewodnikach.