Дефектная структура, электрические, фотоэлектрические и люминесцентные свойства эпитаксиальных слоев к(ε)-политипа оксида галлия (промежуточный, 1 этап)

Проект направлен на установление атомной структуры границ поворотных доменов, а также характера и степени их влияния, как и влияния других протяженных дефектов (границ зерен, дислокаций), на электронные свойства к-Ga2O3. Основной задачей проекта является установление взаимосвязи между указанными особенностями кристаллической структуры и электрическими, фотоэлектрическими и люминесцентными свойствами этого материала. На первом этапе проекта получены новые данные о распределении поворотных доменов, об атомной структуре границ поворотных доменов и антифазных границ, а также о пространственном распределении интенсивности люминесцентных полос в к-фазе оксида галлия, выращенном на буферном слое GaN на сапфире (0001). Микромасштабную характеристику пленки проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Zeiss Supra 40 VP, оснащенного катодолюминесцентной (CL) системой Gatan MonoCL3+, при комнатной температуре и ускоряющем напряжении 5 или10 кВ. Изображения дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) для определения ориентации доменов были получены на SEM Zeiss Merlin при комнатной температуре и ускоряющем напряжении 10 кВ. Рентгеновская дифракция (XRD) ω-2θ сканирования образца была записана на дифрактометре Bruker D8 Discover с использованием монохроматического излучения Cu Kα1 (1,5406 Å). Наномасштабную характеристику и изучение структуры дефектов на атомарном уровне проводили в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) Zeiss Libra 200FE в стандартном и сканирующем режимах (СТЭМ) при комнатной температуре и ускоряющем напряжении 200 кВ. Препарирование ламелей осуществлялось с помощью сфокусированного ионного пучка (FIB) на двухлучевой станции Zeiss Auriga. Наиболее значимые результаты были получены на отдельно отстоящих микрокристаллах, которые имели форму правильных или неправильных гексагональных призм. Было установлено, что симметричные гексагональные микропризмы состоят из шести вращательные доменов трёх различных ориентаций, границы между которыми- некогерентны, так как не являются прямолинейными. Изображения STEM BF и TEM выбранных областей, снятые с подвешенной одиночной микропризмы в тонкой ламели показали, что некогерентные доменные границ (ДГ) состоят из сегментов антифазных границ (АФГ) размерами в несколько или несколько десятков нанометров. Были выделены два типа типичного расположения АФГ вблизи ДГ. Первый – когда ДГ имеют зигзагообразную форму, которая создается путем чередования семейств АФГ из соседних доменов, и таким образом образуются Т-подобные пересечения AФГ, которые могут соответствовать формированию одномерного дефектного расположения атомов. Второй тип пересечения – это когда АФГ с одной стороны ДГ переходят в АФГ с другой стороны, а ДБ служит зеркальной плоскостью без заметных атомарных искажений. Два типа расположения АФГ чередуются с переменным относительным соотношением по длине и могут сопровождаться короткими, обычно длиной до10 нм, когерентными участками . ПЭМ исследования АФГ с высоким разрешением выявили, что AФГ - квазилинейны и вытянуты вдоль направления <010> домена, в котором они заключены, и часто имеют ступенчатую форму или прерываются внутри домена. Локальная атомная структура прямых участков АФГ характеризуется сдвиговыми смещениями между атомными слоями, кратными R = 1/6 b = 0,145 нм, где b-межплоскостной промежуток. Кроме того, наблюдаются пары АФГ, прерывающиеся внутри домена, у которых имеется одинаковое и противоположное атомное смещение и которые, таким образом, могут быть обозначены как диполи AФГ (AФГД). Как на одиночных AФГ, так и на AФГД наблюдаются многочисленные ступеньки, соответствующие межплоскостному сдвигу между слоями. Вблизи ступенек СПЭМ контрасты от атомных рядов размываются и детальную атомарную структуру визуализировать с имеющимся разрешением не удалось. Для понимания атомной структуры вблизи АФГ ступенек на была построена соответствующая структурная модель, в которой сдвиг слоя толщиной в один монослой приводит к локальному увеличению расстояния между соседними октаэдрами до b/3 и образуется конфигурация с возможностью обрывов связей, которые могут быть ответственны за их повышенную электрическую и рекомбинационную активность. Проведенные на тех же микропризмах в тонких ламелях измерения панхроматических карт распределения интенсивности катодолюминесценции (КЛ) установили определенную корреляцию между участками КЛ с пониженной интенсивностью в виде многочисленных темных полосообразных контрастов и положением АФГ и ДГ, наблюденных в ПЭМ. Часть из них была ориентирована вдоль ДГ, другая — вдоль АФГ. Однако не всем АФГ и ДГ на ПЭМ изображениях соответствовало уменьшение интенсивности КЛ. Неравномерность распределения снижения интенсивности ХЛ была предварительно объяснена соответствующим распределением дефектов, проявляющих свойства центров безызлучательной рекомбинации. Часть из них может быть связана с возможным появлением оборванных связей на ступенях или прерываниях АФГ.