Azotkowe diody laserowe na podłożach GaN o zmiennym zorientowaniu

Transkrypt

1 Azotkowe diody laserowe na podłożach GaN o zmiennym zorientowaniu Marcin Sarzyński Badania finansuje narodowe centrum Badań i Rozwoju Program Lider Instytut Wysokich Cisnień PAN Siedziba 1. Diody laserowe i wzrost warstw metodą MOVPE 2. Własności optyczne struktur na podłożach o powierzchni płaskiej 3. Własności optyczne struktur na podłożach o powierzchni płaskiej specjalnie kształtowanej 4. Podsumowanie Budynek Nowych Technologii

2 Azotkowa dioda laserowa o emisji krawędziowej Falowód (GaN) Studnie kwantowe InGaN/GaN 2 3 Falowód (GaN) 4 9 Funkcje struktury laserowej: 1 górna warstwa okładkowa (AlGaN) Przepływ prądu 2 górny falowód (GaN) Lokalizacja nośników 3 obszar aktywny (InGaN) Emisja i wzmocnienie światła 4 dolny falowód (GaN) Lokalizacja modu optycznego Wyprowadzenie światła Odprowadzenie ciepła 5 dolna warstwa okładkowa (AlGaN) GaN AlxGa1-xN InyGa1-yN Si Mg 6 - kontakt elektryczny (typ p) 7 - podłoże GaN 8 - wiązka wyjściowa 9 - kontakt elektryczny (typ n)

3 Wytwarzanie diod laserowych Podłoże GaN Ammono lub HP-Unipress Montaż, testy Epitaksja Processing Chip laserowy 300x700 µm Pasek 3 µm Zwierciadła Łupanie

4 Orientacja powierzchni podłoża [0001] [11-20] Komórka elementarna GaN Płytka podłożowa może być różnie zorientowana [11-20] m [1-100] [11-22] [1-101]

5 Dezorientacja powierzchni podłoża odorientowanie vicinal angle, miscut, offcut Najczęściej stosowana orientacja podłoży GaN to (0001) Kąt δ wynosi od 0.3 do ok. 3 stopni

6 Morfologia powierzchni Dezorientację podłoża uzyskuje się przez polerowanie. Przy polerowaniu podłoża o średnicy 2 cale do dezorientacji δ=0.4o traci się po 350 µm materiału na stronę! Na powierzchni występują tarasy i stopnie atomowe. Szerokość tarasu: w=c/2*ctgδ Dla c=0.52 nm i δ=0.4o w=35 nm Obraz AFM, 1.5x1.5 µm2 δ=0.2o

7 Wzrost struktur metodą MOVPE Metalorganic Vapor Phase Epitaxy Wzrost w trybie płynięcia stopni atomowych W IWC PAN diody laserowe wykonuje się też metodą MBE (Molecular Beam Epitaxy)

8 Wzrost GaN na podłożach o różnej dezorientacji Obrazy AFM 2x1.5 µm2 Dezorientacja zbyt mała: 0.2o Spiralne stopnie atomowe wokół dyslokacji srubowych. Kierunek stopni i szerokość tarasów jest przypadkowa Dezorientacja optymalna: o. Kierunek stopni i gęstość tarasów są stałe Dezorientacja za duża: 3o. Kierunek stopni jest stały lecz szerokość tarasów jest przypadkowa

9 Prędkość wzrostu a prędkość płynięcia stopni atomowych V pionowa prędkość wzrostu S pozioma prędkość płynięcia stopni atomowych

10 Prędkość płynięcia stopni atomowych Ważny parametr: s - prędkość płynięcia stopni atomowych po powierzchni w czasie wzrostu v s= sin Dla v=0.7 A/s oraz δ=1o s=40 A/s. Innymi słowy na przyrost 1 monowarstwy stopień atomowy przesuwa się o 50 atomowych rzędów. Parametr sieci w kierunku wzrostu c=5.2 A, parametr sieci w płaszczyźnie wzrostu a=3.2 A Prędkość v można zmieniać poprzez zmianę wydajności źródła galu ΦGa. Z eksperymentu wiadomo że dla ustalonego ΦGa, prędkość wzrostu warstwy, v, nie zależy od δ. Wobec tego s musi zależeć od δ Mała dezorientacja - stopnie płyną szybko Duża dezorientacja, stopnie płyną wolno Jeśli zwiększymy ΦGa to stopnie popłyną szybciej w obu przypadkach.

11 v=0.7 A/s 0,5 1,0 1,5 2,0 Zawartość indu zależy od s, nieważne czy s zmienia się z powodu zmian v czy z powodu zmian δ Zawartośc indu, % Dezorientacja, stopnie Zawartośc indu, % Zawartośc indu, % Wpływ dezorientacji i prędkości wzrostu na zawartość indu w InGaN 11 δ =1 st ,4 0,6 0,8 1,0 Pionowa prędkośc wzrostu, A/s Zbyt mała dezorientacja Przepływ stopni zakłócony Prędkośc płynięcia stopni, A/s

12 Wpływ dezorientacji i prędkości wzrostu na zawartość indu Model 1: Ind nie wbudowuje się na stopniach a jedynie na tarasach. Dla większego δ mamy większą gęstość stopni, węższe tarasy i dlatego mniej indu. Zawartość indu nie powinna zależeć od v Model 2: Aby uniknąć termicznej desorpcji z powierzchni, atom indu musi być szybko obudowany innymi atomami przez płynące stopnie. Więcej indu powinno być dla większego s M. Kryśko i in., 2007 S. Keller i in., 2008 Ga In

13 Wpływ dezorientacji podłoża na koncentrację dziur Koncentracja dziur, cm -3 Przy stałej koncentracji magnezu, koncentracja dziur w warstwie GaN jest większa dla większej dezorientacji podłoża. 1x x ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Dezorientacja, stopnie Prawdopodobna przyczyna - przy większej dezorientacji podłoża, do warstwy wbudowuje się mniej defektów punktowych

14 Wpływ dezorientacji podłoża na parametry diod laserowych Gdy dezorientacja jest na mała lub niejednorodna: 1. Zawartość indu w obszarze aktywnym lasera jest zmienna i mamy zmienną długość fali emitowanego światła 2. Koncentracja dziur jest zmienna, więc opór elektryczny i prąd płynący przez przyrząd zmienia się od punktu do punktu. Intensywność świecenia jest niejednorodna.

15 Wpływ dezorientacji podłoża na parametry diod laserowych Dla właściwej i jednorodnej dezorientacji podłoża lasery mają dobre i powtarzalne parametry Podłoża są drogie Straty na polerowanie

16 Czy wymagana dezorientacja musi być na całej powierzchni podłoża? Nie, tylko pod paskiem laserowym

17 Prezentowana technika fotolitografii opiera się na znanej metodzie wytwarzania elementów optyki dyfrakcyjnej. Fotorezyst naświetlamy ze zmienną dawką promieniowania (multilevel pattern) w maszynie typu Laserwriter Grubośc fotorezystu, µm Podłoża GaN o zmiennej dezorientacji 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Znormalizowana dawka promieniowania

18 Morfologia powierzchni Dolina Wierzch Skos 2µm kierunek c, µ m 1,0 0,8 0,6 0,4 0, kierunek a, µ m

19 Dezorientacja powierzchni podłoża odorientowanie vicinal angle, miscut, offcut Najczęściej stosowana orientacja podłoży GaN to (0001) Kąt δ wynosi od 0.3 do ok. 3 stopni

20 Kierunki skosów i zawartość indu w InGaN i MQW w zależności od kąta nachylenia Skosy zorientowanie do kierunku a Skosy zorientowanie do kierunku m Warstwa InGaN, 50 nm, RT 400 8,0 7, ,0 6, ,0 0,5 1,0 1,5 Dezorientacja, stopnie 2,0 6,0 długośc fali, nm Długośc fali, nm 8,5 Koncentracja indu, % 9, ,5 5QW, RT Do kierunku m Do kierunku a ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 pomiary XRD J. Domagała, IF PAN, wiązka 40 µm dezorientacja, stopnie

21 Katodoluminescencja, MQW A. Reszka, B. Kowalski (IF PAN) Studnie kwantowe InGaN/GaN, kąt 3o λ=390 nm λ=420 nm Monochromatyczne Obrazy CL Zawartość indu jest czuła na dezorientację nawet w bardzo małych obszarach - 2 µm

22 Katodoluminescencja, MQW A. Reszka, B. Kowalski (IF PAN) 5QW na podłożu o zmiennej dezorientacji, kąt 6o Przy δ=6o ind prawie nie wbudowuje się do warstwy. Odległość, µm Na skosach długość fali katodoluminescencji studni jest mała (366) nm, na wierzchach i w dolinach duża (403 nm) Widma katodoluminescencji - skan liniowy Długość fali, nm

23 Diody laserowe na skosach orientowanych do kierunku a a) Lasery z pojedynczym paskiem, z kontrolowaną długością fali b) Mini-matryce laserowe z wieloma paskami Początkowa dezorientacja podłoża może być=0 oszczędzamy materiał

24 Laserowanie przy pobudzeniu optycznym, MQW Natężenie, j. umow. Laserowanie z pompowaniem optycznym A B Natężenie, jedn. um. Długośc fali, nm Długośc fali, nm Długość fali laserowania zależała od miejsca padania wiązki pompującej. Przy szerokiej wiązce pompującej otrzymano laserowanie na dwóch długościach fali jednocześnie

25 Diody laserowe na podłożu o zerowej dezorientacji oraz mini-matryce diod laserowych Moc optyczna, mw 20 Chip A Chip B Ith=4-6 ka/cm, Uth=5.5 V Natężenie, jedn. um Prąd elektryczny, ma Chipy A Chipy B Ith=7kA/cm2, Uth=10V Zgłoszenie patentowe Natężenie, jedn. um. Długośc fali, nm 600 Skos Wierzch Długośc fali, nm

26 Zastosowania wielokolorowych mini-matryc - Interferometria dwuwiązkowa - Wytwarzanie teraherców na zasadzie częstości różnicowej dwóch wiązek laserowych - Projektory 3D

27 Diody laserowe z nieabsorbującymi zwierciadłami, skosy orientowane do kierunku m Diody laserowe z jednym paskiem na chip. Skosy w podłożu znajdują się dokładnie pod obszarem łupania zwierciadeł. Dzięki temu w obrzasze tym wbydowuje się mniej indu. Promieniowanie wytworzone przez pasek laserowy nie podlega absorpcji przy zwierciadłach.

28 Skosy w podłożu Skosy Granice chipów Linia łupania zwierciadeł Obszar z małązawartością indu Obszar z dużą zawartością indu Linia łupania zwierciadeł

29 Katodoluminescencja struktury laserowej na podłożu ze skosami orientowanymi do kierunku m Obraz monochromatyczny 435 nm Skan liniowy CL 435 nm 390 nm A. Reszka B. Kowalski IF PAN

30 Parametry elektryczne i optyczne Uzyskano akcję laserową lecz parametry nie są jeszcze optymalne Ith=11 ka/cm2 (5 ka/cm2) Uth=12 V (4-6 V) Zgłoszenie patentowe

31 Podsumowanie - W azotkowych diodach laserowych obszar aktywny składa się z InGaN - Przerwa energetyczna i długość fali emisji i absorpcji światła zależą od zawartości indu - Zawartość indu zależy od dezorientacji podłoża - Lasery na podłożach o δ=0 - Nowe przyrządy: wielopaskowe mini-matryce i lasery z nieabsorbującymi zwierciadłami - Koncentracja dziur i defektów punktowych zależy od dezorientacji - Czas życia laserów zależy od dezorientacji Badania finansuje NCBiR - program Lider

32 Liczymy na dalszą współpracę! Koncentracja dziur, cm -3 Podsumowanie 18 1x x10 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Dezorientacja, stopnie Czas Życia 24 h Czas życia ~1000h Chipy A Chipy B Moc optyczna, mw Natężenie, jedn. um Chip B Długośc fali, nm Chip A Prąd elektryczny, ma 200

33 Wpływ dezorientacji na morfologię warstw MOVPE kreski kwantowe? dez~0 dez=0.5 st. 1. Przy małej dezorientacji podłoża podczas wzrostu warstwy GaN powstają piramidalne defekty. W efekcie dezorientacja podłoża staje się przypadkowa