Źródła światła widzialnego następnej generacji wykorzystujące kryształy fotoniczne

Ostatecznym celem planowanych działań w ramach projektu jest wypełnienie luki w zakresie emiterów opartych na azotkach grupy III oraz ustanowienie ścieżki w kierunku laserów z emisją powierzchniową z kryształu fotonicznego (PhC-SEL), poprzez zastosowanie nowatorskiego podejścia opartego na heterostrukturach ze złączami tunelowymi (TJ). Tym, co charakteryzuje PhC-SEL, jest wykorzystanie dwuwymiarowego (2D) kryształu fotonicznego do utworzenia płaskiej wnęki rezonansowej. Głównym problemem związanym z tymi urządzeniami jest bezproblemowa integracja kryształu fotonicznego z heterostrukturą diody laserowej (LD), która składa się z obszaru aktywnego umieszczonego między warstwami domieszkowanymi typu p i n. W przypadku azotków grupy III ta integracja jest utrudniona przez dwa czynniki: Krótką długość fali emisji urządzenia, która wymaga zaawansowanej litografii wiązką elektronów do jednorodnej produkcji kryształu fotonicznego. Problematyczne domieszkowanie typu p w azotkach, które narzuca ścisłe ograniczenia dotyczące umiejscowienia warstw typu p na samej górze heterostruktury i powoduje wysoką rezystywność w przypadku ponownego wzrostu warstw typu p. Podczas gdy pierwszy czynnik, jak pokazano przez wiele grup badawczych, może zostać rozwiązany poprzez odpowiednią optymalizację procesu, aby uzyskać bardzo powtarzalną, jednorodną siatkę 2D, to drugi czynnik jest wewnętrznie związany z systemem materiałowym III-azotków. W niniejszym projekcie proponujemy rozwiązanie wyzwań związanych z niską przewodnością typu p poprzez zastosowanie złączy tunelowych (TJs) w celu ułatwienia integracji kryształu fotonicznego z azotekowymi SEL. Złącze tunelowe to silnie domieszkowane złącze p-n, które może być umieszczone na wierzchu urządzenia optoelektronicznego w celu zmiany przewodności z typu p na n i ograniczenia negatywnych efektów związanych z warstwami domieszkowanymi typu p. Udowodniliśmy, że takie struktury mogą być z powodzeniem wytwarzane w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk (IWC PAN) przy użyciu epitaksji z wiązek molekularnych wspomaganej plazmą (PAMBE). Wykazaliśmy również, że przewodność oferowana przez złącze tunelowe pozwala na konstrukcję diod laserowych z emisją z krawędzi oraz pionowe piętrzenie wielu diod laserowych. Ponadto, pokazaliśmy, że złącze tunelowe może być również użyte do tworzenia tak zwanych struktur diod laserowych z dolnym złączem tunelowym (bottom-TJ). W przypadku heterostruktur bottom-TJ, sekwencja warstw typu p i n w urządzeniu jest odwrócona, co prowadzi do zakończenia struktury materiałem typu n. Taka struktura oferuje niezrównaną swobodę w funkcjonalizacji powierzchni, ponieważ materiał jest wysoce przewodzący i pozwala na dalszy wzrost po obróbce wzorcowej. Po pierwsze, zbadamy wpływ wzoru trawienia GaN na strukturę pasm fotonicznych w zakresie widzialnym. Dwuwymiarowe symulacje numeryczne zostaną wykorzystane do identyfikacji wzorów kryształów fotonicznych, które wpływają na propagację światła w krysztale. Testowe kryształy fotoniczne zostaną wytworzone w masowych podłożach GaN przy użyciu litografii wiązką elektronów. Po drugie, zbadamy mechanizm ponownego wzrostu GaN, który pozwoli na powtarzalne i jednorodne pokrycie kryształu fotonicznego. Ten krok jest niezbędny do zwiększenia odległości między kryształem fotonicznym a powierzchnią kryształu, co zwiększy również sprzężenie wnęki z emiterem poniżej. Po trzecie, połączymy diodę LED z dolnym złączem tunelowym (bottom-TJ LED) z kryształem fotonicznym, aby zademonstrować zwiększenie czasu życia radiacyjnego i zmianę wzoru emisji. Wyjątkowo wysoka wydajność pracy kriogenicznej bottom-TJ w porównaniu ze standardowymi diodami LED dodatkowo pomoże w obserwacji efektu Purcella. Diody LED cienkowarstwowe i membrany zostaną zaprezentowane z wykorzystaniem elektrochemicznego trawienia silnie domieszkowanej warstwy typu n znajdującej się poniżej. Po czwarte, uzyskamy laser z emisją powierzchniową z kryształu fotonicznego. Numerycznie zasymulujemy modę optyczną i rozkład ciepła w strukturze. Zoptymalizowana zostanie dolna warstwa pokrywająca, która zapewni dobre uwięzienie światła i łatwe rozpraszanie ciepła. Zalety wzrostu PAMBE i konstrukcji bottom-TJ zostaną wykorzystane do sprostania głównym wyzwaniom stojącym przed azotekowymi SEL. Przewidujemy, że zastosowanie konfiguracji bottom-TJ pozwoli na prostą integrację emiterów opartych na III-azotkach z kryształami fotonicznymi i umożliwi konstrukcję wysokomocnych laserów SEL o wąskiej linii widmowej i wysokiej jakości wiązce optycznej, działających przy niskich gęstościach prądu.