Projekt SONATA
„Obejście pól piezoelektrycznych w heterostrukturach azotków grupy III – droga do rozwiązania problemu "green gap"”

Opis projektu

Diody elektroluminescencyjne (LED) oparte na azotkach metali grupy trzeciej są wykorzystywane w rosnącej liczbie zastosowań. Największym z nich jest oświetlenie, które jest odpowiedzialne za 15% światowej konsumpcji energii elektrycznej. Departament Energii Stanów Zjednoczonych Ameryki przewiduje oszczędności w konsumpcji energii elektrycznej na poziomie 260 TWh do roku 2030, tylko dzięki użyciu diod LED. To spowoduje ograniczenie zużycia paliw kopalnianych, zanieczyszczenia powietrza i emisji gazów cieplarnianych. Te gigantyczne oszczędności biorą się z wyjątkowej sprawności diod LED opartych na InGaN emitujących światło fioletowe i niebieskie, i były powodem przyznania nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 roku wynalazcom białych LEDów – prof. Shuji Nakamura, prof. Isamu Akasaki and prof. Hiroshi Amano. Na dzień dzisiejszy światło białe w diodach LED jest generowanie poprzez mieszanie światła fioletowego (bądź niebieskiego) pochodzącym z InGaN ze światłem żółtym z fosforku, pobudzanego przez światło pochodzące z InGaN. Taka konwersja z fioletowego (bądź niebieskiego) do żółtego koloru wiąże się ze stratą energii. Lepszym podejściem jest mieszanie kolorów niebieskiego, zielonego i czerwonego, które pochodziłyby bezpośrednio z materiału półprzewodnikowego. Jednakże, sprawność kwantowa emiterów światła zielonego jest wąskim gardłem tego rozwiązania. Poprawa sprawności zielonych diod LED przełożyłaby się na ograniczenie zużycia energii elektrycznej na światową skalę.

Wartość projektu: 1 385 887,00 PLN
Projekt finansowany przez Narodowym Centrum Nauki w ramach programu SONATA.

Problemem naukowym,

który proponowany projekt ma rozwiązać jest spadek wewnętrznej sprawności kwantowej heterostruktur opartych na azotkach grupy III w zielonym obszarze widma, potocznie nazywany jest problemem „green gap”. Rysunek 1(a) przedstawia zależność spektralną maksymalnej zewnętrznej sprawności kwantowej (EQE) diod LED. Przyrządy oparte o azotki mają wysoką sprawność w krótkich długościach fali (kolory fioletowy i niebieski). Głównym powodem mniejszej sprawności w zielonym kolorze jest spadek siły oscylatora studni kwantowych.

Badania proponowane w projekcie

mają na celu zbadanie nowego zjawiska zaproponowanego niedawno przez naszą grupę, które może rozwiązać problem „green gap”. Pokazaliśmy, że w szerokich studniach InGaN istnieje zaskakująco efektywny kanał rekombinacji. Jest to sprzeczne z intuicją, ponieważ szerokie studnie InGaN powinny mieć niską siłę oscylatora, ze względu na znaczącą separację funkcji falowych elektronów i dziur. Jednakże, duża siła oscylatora w tych heterostrukturach pochodzi z przejść pomiędzy stanami wzbudzonymi studni kwantowej. Rysunek 1(b) przedstawia schemat pasmowy szerokiej studni kwantowej w trakcie pobudzania.

Przewiduje się, że rezultaty projektu rzucą nowe światło na fizykę przejść promienistych w szerokich studniach InGaN. Demonstracja wysokoskładowych, szerokich studni InGaN z duża siła oscylatora pomoże zwiększyć sprawność długofalowych diod LED i w przyszłości zmniejszy problem „green gap”.

Publikacje

Projekt realizowany w latach 2020-2023

1. GaN-based bipolar cascade lasers with 25 nm wide quantum wells By: J. Piprek, G. Muziol, M. Siekacz, and C. Skierbiszewski Optical and Quantum Electronics 54, 62 (2022)
2. 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)
3. 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)
4. 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)
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. 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, and C. Skierbiszewski, Electronics 9, 1481 (2020)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, and C. Skierbiszewski, Electronics 9, 1481 (2020)

Zespół badawczy

Zespół badawczy projektu:

• dr inż. Grzegorz Muzioł - kierownik projektu