Projekt SONATA
„Nanoporowaty GaN – nowa platforma dla realizacji struktur kwantowych”

Opis projektu

Porowate półprzewodniki zaczęto bardzo intensywnie badać na początku lat 90tych ubiegłego wieku, kiedy to odkryto, że obecność nanometrycznych rozmiarów porów w krzemie pozwala na uzyskanie emisji światła, niemożliwej w „zwykłym”, objętościowym krysztale. Nanoporowaty GaN jest interesującym materiałem z wielu powodów. Główną motywacją badań jego właściwości jest możliwość modyfikowania współczynnika załamania światła z porowatością w bardzo szerokim zakresie, który jest niedostępny dla azotków (In,Al,Ga)N. Ta właściwość porowatego GaN wykorzystywana jest w takich zastosowaniach jak nanomembrany, zwierciadła Bragga o wysokim odbiciu (DBRs), lasery o emisji powierzchniowej (VCSELs) oraz lasery o emisji krawędziowej z nanoporowatymi warstwami okładkowymi. Znaczenie praktyczne nanoporowatego GaN jest więc niekwestionowane. Dodatkowo jest to materiał, który może być użyty do badania ciekawych efektów kwantowych. W ramach tego projektu chcemy wkroczyć na pole nanoporowatych struktur fotonicznych opartych o azotki III-N i badać obszary takie jak trawienie domieszkowanego GaN:Mg p-typu i GaN:Ge n-typu, struktur implantowanych jonowo jak również nanoporowatych struktur studni kwantowych oraz heterostruktur z dwuwymiarowym gazem dziurowym.

Wartość projektu: 1 128 960 PLN
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programu SONATA.


Cel projektu

Projekt koncentruje się przede wszystkim na zrozumieniu mechanizmów trawienia elektrochemicznego (ECE) w silnie domieszkowanym GaN na typ-n i typ-p w celu uzyskania wielkości porów o średnicy poniżej 10 nm [zadanie 1]. Planujemy zbadać mechanizmy trawienia dla nowych domieszek - Ge i Mg. Są to dobrze znane donory i akceptory dla GaN, ale nie zostały jeszcze wykorzystane do domieszkowania warstw dla ECE. Aby osiągnąć cele projektu, wykorzystamy technologię epitaksji wiązki molekularnej z użyciem plazmy azotowej (PAMBE), która jest niezwykle skuteczna w kontroli wysokiego poziomu domieszkowania. Inna technologia, która jest najszerzej stosowana we wzroście azotków - MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy) raportuje problemy z silnym domieszkowaniem na typ-n i typ-p. Trawienie elektrochemiczne GaN typu-p nie jest opisane w literaturze. Będziemy również poszukiwać niejednorodności we wprowadzaniu domieszek związanej z kinetyką stopni atomowych podczas epitaksji. W przypadku GaN: Si stwierdziliśmy nierównomierny rozkład domieszki, gdy przeprowadziliśmy wzrost na powierzchni ze zbitkami stopni atomowych.

Równolegle [zadanie 2] planujemy zbadanie różnic w ECE standardowych i implantowanych jonowo warstw GaN typu-p i typu-n. Nasze wstępne badania pokazują, że powinniśmy być w stanie „zablokować” trawienie poprzez implantację jonów do materiału typu p, w przeciwieństwie do materiału typu n, mimo że oba nie są przewodzące po implantacji jonów. Powinno to mieć ogromne znaczenie dla processingu urządzeń półprzewodnikowych i charakterystyki implantacji jonów, szczególnie w kontekście niedawno raportowanej przewodności typu p GaN po implantacji jonami i wyżarzeniu w wysokim ciśnieniu uzyskanym w naszym Instytucie Wysokich Ciśnień.

Następnie [zadanie 3] wykorzystamy materiał nanoporowaty do badania interesujących efektów kwantowych związanych ze sprzężeniem światła z fononami i ekscytonami w strukturze, gdzie obecne są pory o rozmiarach poniżej 10 nm. Będziemy badać fotoluminescencję i katodoluminescencję w niskich temperaturach, a także prowadzać badania z użyciem spektroskopii Ramana.

W projekcie zaproponujemy także [zadanie 4] wytworzenie nowych rodzajów struktur, takich jak nanoporowate studnie kwantowe (QW), które powinny dać możliwość badania wpływu ciśnienia hydrostatycznego/jednoosiowego na właściwości optyczne. Oczekujemy przesunięcia ku czerwieni piku luminescencji z powodu niższego stanu naprężeń w studni kwantowej i wyższej wydajności ekstrakcji światła. Ma to istotne znacznie dla potencjalnych zastosowań w produkcji emiterów azotków o większej długości fali. Chcemy również wykorzystać pola elektryczne w heterostrukturach azotkowych, które prowadzą do powstania dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) i gazu dziurowego (2DHG). Zbadamy możliwość wykorzystania dziur o dużej gęstości na interfejsie w strukturze GaN/AlGaN do trawienia GaN. Przetestujemy ECE jako technikę do wykrywania obecności 2DHG. Ponadto, jeśli trawienie 2DHG będzie możliwe, otworzy to drogę do „inteligentnego cięcia” struktur opartych na GaN przez ECE z atomową precyzją. Zauważmy, że GaN ma pola elektryczne, które nie są obecne w innych półprzewodnikach, i możemy to wykorzystać, pokazując nowe efekty, których nie można zaobserwować w innych układach materiałowych.


Publikacje

Projekt realizowany w latach 2020-2023

  1. Electrochemical etching of p-type GaN using a tunnel junction for efficient hole injection By: N. Fiuczek, M. Sawicka, A. Feduniewicz-Żmuda, M. Siekacz, M. Żak, K. Nowakowski-Szkudlarek, G. Muzioł, P. Wolny, J.J. Kelly, C. Skierbiszewski "" Acta Materialia - under review
  2. 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

dr inż. Marta Sawicka
mgr inż. Natalia
Fiuczek
mgr Anna
Feduniewicz-Żmuda










Publikacje

Projekt realizowany jest od 2020 do 2023 roku

  1. Electrochemical etching of p-type GaN using a tunnel junction for efficient hole injection By: N. Fiuczeka, M. Sawicka,A. Feduniewicz-Żmuda, M. Siekacz, M. Żak, K. Nowakowski-Szkudlarek, G. Muzioł, P. Wolny, J.J. Kelly, C. Skierbiszewskia, Acta Materialia 234(15):118018, Published May 2022 DOI.org/10.1016/j.actamat.2022.118018

  2. 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, Optics Express Vol. 30, Issue 7, pp. 10709-10722 (2022), Published February 2022 DOI.org/10.1364/OE.454359

  3. Role of Metallic Adlayer in Limiting Ge Incorporation into GaN H. Turski, P. Wolny, M. Chlipala, M. Sawicka, A. Reszka, P. Kempisty, L. Konczewicz, G. Muziol, M. Siekacz, and C. Skierbiszewski, Materials 15, 5929 (2022). https://www.mdpi.com/1996-1944/15/17/5929

  4. Fabrication of GaN-air channels for embedded photonic structures M. Sawicka, O. Gołyga, N. Fiuczek, G. Muzioł, A. Feduniewicz-Żmuda, M. Siekacz, H. Turski, R. Czernecki, E. Grzanka, I. Prozheev, F. Tuomisto, and C. Skierbiszewski, Materials Science in Semiconductor Processing 155, 107234 (2023). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.107234