Projekt OPUS
„Źródła światła widzialnego następnej generacji wykorzystujące kryształy fotoniczne”
Opis projektu
W dzisiejszych czasach wszyscy używamy wysokowydajnych diod elektroluminescencyjnych (LED), które zastąpiły już żarówki Edisona. Rewolucja w oświetleniu, jaką obserwujemy w ciągu ostatnich 10 lat, pozwoliła na ogromne globalne oszczędności energii i otworzyła nowe możliwości technologiczne. Co ciekawe, wiele razy w historii rozwoju diod LED i diod laserowych opartych na azotku galu (GaN) naukowcy napotykali bardzo duże przeszkody, których rozwiązanie wymagało znacznego wysiłku, aby można było dokonać postępu. Zrozumienie kompensacji magnezu, będącej problemem w otrzymaniu materiału typu p, zostało nawet nagrodzone Nagrodą Nobla. Niniejszy projekt stanowi kolejny krok w rozwoju innowacyjnych źródeł światła i otwiera drogę do nowatorskich konstrukcji i urządzeń, potrzebnych w coraz bardziej zaawansowanych technologicznie zastosowaniach.
Główną motywacją i finalnym celem planowanych prac jest znalezienie sposobu wytwarzania laserów o emisji powierzchniowej zawierających kryształy fotoniczne (ang. photonic crystal surface emitting lasers - PhC SELs) emitujących w zakresie widzialnym. W projekcie chcemy dokonać integracji struktury fotonicznej i diody laserowej w celu uzyskania nowej klasy urządzeń: zminiaturyzowanych, wydajnych i o ulepszonych właściwościach wiązki światła. Kryształ fotoniczny to dwuwymiarowa struktura otworów lub kolumn o rozmiarach nanometrowych ułożonych w specyficzny, uporządkowany sposób. Sprzężenie go ze światłem wpływa na propagację fali w kontrolowany sposób. Wytwarzanie struktury fotonicznej jest trudne w emiterach azotkowych ze względu na wyśrubowane wymagania dotyczące małych rozmiarów, ale jest wykonalne za pomocą litografii z użyciem wiązki elektronów oraz trawienia. Poważniejszy problem stwarza konieczność integracji kryształu fotonicznego ze strukturą lasera w konstrukcji monolitycznej. Obecnie nie jest to możliwe w efektywny sposób, ponieważ elementy fotoniczne są umieszczane w materiale typu p, co drastycznie obniża wydajność elektryczną takich urządzeń.
Koncepcję struktury diody laserowej o emisji powierzchniowej zawierającej kryształ fotoniczny przedstawia Rys. 1. W tej konstrukcji proponujemy umieszczenie złącza tunelowego w dolnej części całej struktury. Sekwencja warstw typu p i n w urządzeniu jest odwrócona, a w górnej części konstrukcji znajduje się materiał typu n. Zapewnia to niezrównaną swobodę funkcjonalizacji powierzchni, ponieważ materiał typu n jest wysoce przewodzący i pozwala na dalszy wrost po utworzeniu układu dziurek tworzących kryształ foroniczny. Ten kluczowy element pozwala uniknąć problematycznej wysokiej rezystywności w typowym podejściu. Ponadto, w ramach projektu wykorzystamy epitaksję z wiązek molekularnych z uzyciem plazmy azotowej w celu wytworzenia struktury epitaksjalnej, która gwarantuje wysoką jakość strukturalną i dobre właściwości elektryczne.
Przewidujemy, że użycie konfiguracji ze złączem tunelowym na dole uprości integrację emiterów opartych o GaN z kryształami fotonicznymi i pozwoli na wytwarzanie wydajnych laserów o emisji powierzchniowej o dużej mocy, wąskim widmie emisji, kołowym kształcie wiązki optycznej i pracujących przy niskich prądach. Kolejny przełom w rozwoju emiterów światła wydaje się być bardzo bliski.
Wartość projektu: 1 996 440 PLN
Projekt finansowany przez Narodowym Centrum Nauki w ramach programu OPUS 2024/53/B/ST7/02324.
Zespół badawczy
Zespół badawczy projektu:
- dr hab. Henryk Turski - Principal Investigator
