Projekt POWROTY
„Rozwój wysokiej jakości InAlN - droga do laserów azotkowych wolnych od naprężeń”

Opis programu

Program POWROTY finansowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej skierowany jest do młodych doktorów, powracających do pracy badawczej po przerwie związanej z rodzicielstwem lub pracą poza obszarem nauki. Umożliwia on im realizację projektu badawczego o charakterze stażu podoktorskiego trwającego nie dłużej niż 24 miesiące.

Cel 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:

  1. Będziemy prowadzić wzrost na podłożach GaN o wąskich tarasach atomowych – wówczas skrócimy konieczną drogę dyfuzji mało ruchliwych atomów Al i zmniejszy się anizotropia wzrostu.
  2. Użyjemy bardzo silnego strumienia azotu, dzięki czemu możliwe będzie zbadanie szerszego zakresu temperatur oraz prędkości wzrostu niż dotychczas.
  3. 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.

Zespół badawczy Projektu

Zespół badawczy projektu POWROTY tworzą eksperci w dziedzinie epitaksji z wiązek molekularnych MBE:

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









Publikacje

Projekt realizowany w latach 2018-2021

  1. 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.. Opt. Express 30, …. 2022
  2. Composition Inhomogeneity in Nonpolar (101̅0) and Semipolar (202̅1) InAlN Layers Grown by Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy, M. Sawicka, J. Smalc-Koziorowska, M. Kryśko, N. Fiuczek, P. Wolny, A. Feduniewicz-Żmuda, K. Nowakowski-Szkudlarek, H. Turski, and C. Skierbiszewski, Crystal Growth & Design 21, 5223-5230 (2021).
  3. Revealing inhomogeneous Si incorporation into GaN at the nanometer scale by electrochemical etching, M. Sawicka, N. Fiuczek, H. Turski, G. Muziol, M. Siekacz, K. Nowakowski-Szkudlarek, A. Feduniewicz-Zmuda, P. Wolny, C. Skierbiszewski, NANOSCALE, Volume: 12, Issue: 10, Pages: 6137-6143, Published: MAR 14 2020 10.1039/c9nr10968d
  4. Role of high nitrogen flux in InAlN growth by plasma-assisted molecular beam epitaxy By: M. Sawicka, N. Fiuczek, P. Wolny, A. Feduniewicz-Żmuda, M. Siekacz, M. Kryśko, K. Nowakowski-Szkudlarek, J. Smalc-Koziorowska, S. Kret, Ž. Gačević, E. Calleja, C. Skierbiszewski, Journal of Crystal Growth, 544 125720 (2020), 10.1016/j.jcrysgro.2020.125720
  5. Vertical Integration of Nitride Laser Diodes and Light Emitting Diodes by Tunnel Junctions, 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, C. Skierbiszewski, Electronics, 9 1481 (2020) 10.3390/electronics9091481
  6. Impact of the substrate lattice constant on the emission properties of InGaN/GaN short-period superlattices grown by plasma assisted MBE, M. Siekacz, P. Wolny, T. Ernst, E. Grzanka, G. Staszczak, T. Suski, A. Feduniewicz-Żmuda, M. Sawicka, J. Moneta, M. Anikeeva, T. Schulz, M. Albrecht, and C. Skierbiszewski, Superlattices and Microstructures 133, 106209 Published: July 2019

Współpraca w Projekcie

Kontakt

tel. +48 22 876 0352
lab. +48 22 876 0324
email: sawicka@unipress.waw.pl