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

Получены новые данные о структурных особенностях, люминесцентных, электрических и фотоэлектрических свойствах орторомбической фазы оксида галлия. Наиболее значимые результаты состоят в следующем. 1. Установлена корреляция между пространственным распределением протяженных дефектов структуры и их люминесценцией в одиночных подвешенных микрокристаллах орторомбической фазе оксида галлия. Исследовались микропризмы гексагональных микрокристаллов к(эпсилон)-Ga2O3, которые были частично закреплены на ламели, вырезанной из краевой части слоя оксида галлия сфокусированным ионным пучком. Сравнение изображений просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и карт распределения интенсивности панхроматической катодолюминесценции (КЛ) показало, что контрасты КЛ расположены внутри доменов к-Ga2O3 и вытянуты в направлении, совпадающем с ориентацией линий антифазных границ (АФГ) в доменах. Было обнаружено, что в зависимости от ускоряющего напряжения и выбранного участка микропризм может наблюдаться как понижение интенсивности КЛ (темные контрасты), так и ее возрастание (яркие контрасты). С другой стороны, спектральные измерения КЛ в разных точках с хорошо различимой интенсивностью не установили никаких заметных изменений в форме основного пика КЛ и не обнаружили новых люминесцентных спектральных полос. Для объяснения усиления люминесценции протяженными дефектами структуры предложена модель, учитывающая рассеянье ими электронов первичного электронного пучка. Для тонкой фольги, прозрачной для электронного пучка, полная энергия падающего электронного тока распределяется между обратно рассеянными, прошедшими и потерявшими внутри слоя полностью свою энергию электронами и электронами, рассеянными протяженными дефектами. Дополнительной диссипация энергии электронов, рассеянных протяженными дефектами, приводит к локальному усилению генерации электронно-дырочных пар по сравнению с областью регулярной решетки. Можно предположить, что избыточная концентрация носителей вблизи дефекта будет определяться увеличенным значением длины пути электрона внутри фольги, которая, в свою очередь, является функцией отношения толщины фольги и длины проникновения электронов. Для пленок оксида галлия толщиной около 100 нм такой эффект должен быть более выражен при низких ускоряющих напряжениях, используемых в сканирующих электронных микроскопах. Как было установлено в первой части этого проекта в 2023 году, АФГ сам по себе представляют собой идеальные сочленения различных областей кристалла, характеризуемые небольшим сдвигом, но наблюдаемые на них ступеньки могут содержать оборванные связи, образующие одномерные образования, похожие на краевые дислокации. Можно предположить, что АФГ служит в качестве плоскостного первичного рассеивателя электронов, в то время как их линейчатые дефекты (ступеньки) отвечают за рекомбинацию. В результате можно наблюдать темные или яркие контрасты CL в зависимости от плотности АФГ и плотности локализованных на ступеньках рекомбинационных центров. Хотя обнаруженный эффект не имеет прямого отношения к тематике настоящего проекта, он может быть использован как дополнительный инструмент визуализации протяженных дефектов с помощью КЛ в тонких пленках полупроводников. 2. Установлено, что структура пленки к-Ga2O3 на сапфире представлена совокупностью разориентированных нанокристаллических доменов размерами 10-20 нм, распределенных довольно равномерно по все толщине пленки. Нанодомены ограничены нерегулярными доменными границами. Внутри некоторых нанодоменов обнаруживаются антифазные границы (АФГ). В верхних слоях пленки вблизи ростовой поверхности встречаются микрокристаллы, состоящие из доменов всех трех возможных ориентаций со множественными АФГ, расположение и плотность которых аналогично найденным в микрокристаллах, полученных при выращивании на ориентирующей подложке нитрида галлия. Электрические измерения, проведенные на таких пленках при приложении напряжения между электродами в продольном и поперечном направлении, выявили что к-Ga2O3 на сапфире является нефоточувствительным изолятором, что может быть объяснено их нанокристаллическим строением с огромной плотностью междоменных границ и что, в свою очередь, является косвенным подтверждением высказанного во многих работах предположения о высоких барьерах для протекания тока у таких границ. 3. Получены новые данные об электрических и фотоэлектрических свойствах структуры Au/к(эпсилон)-Ga2O3/n-GaN. Структура состояла из слоя к-фазы нелегированного оксида галлия, толщиной около 3.8 мкм, на подложке рифленого сапфира толщиной около 2.7 мкм. На поверхность Ga2O3 были нанесены золотые полупрозрачные контакты а на поперечное сечение структур - In-Ga эвтектика, обеспечивающая контакт с низкоомным буфером. Измерения ВАХ структур при малых напряжениях установили полуизолирующий характер материал. При больших напряжениях ВАХ проявляли заметное выпрямление с прямой ветвью при положительном напряжении на золотом контакте, а при освещении ток возрастал на 2-3 порядка в обоих направлениях. Вольт-фарадные характеристики (ВФХ) соответствовали МДП структуре с обедненным слоем в GaN на интерфейсе. Из полученных данных ВФХ было рассчитано значение диэлектрической проницаемости κ-фазы оксида галлия, которое оказалось равным ε = 19,6. Это значение несколько меньше, чем сообщалось в литературе для пленок, толщиной около 100 нм, но в два раза больше, чем для нитрида галлия. Было обнаружено, что направление стационарного фототока короткого замыкания изменяется по спектру, а инверсия направления фототока происходит в относительно узком спектральном интервале вблизи края поглощения нитрида галлия, в котором ток электронов направлен из подложки в верхний контакт. Это может быть вызвано либо тем, что поле на контакте или Au/Ga2O3 направлено в противоположном направлении, либо наличием объемного фотогальванического эффекта (ФГЭ) или деполяризации в слое к-Ga2O3 с полярной структурой. Решение этой альтернативы представляет пока еще нерешенную задачу. Кинетики изменения фототока короткого замыкания при включении и выключении освещения показали наличие сосуществующих компонент стационарного фототока различной полярности и с различной постоянной времени, доля которых изменяется в зависимости от энергии возбуждающих квантов. На основании полученных данных сделан вывод о сложной энергетической схеме исследованных структур, в которой присутствует гетеропереход GaN/к-Ga2O3, с большими скачками энергий валентной зоны и зоны проводимости, экспериментальное определение которых с достаточной точностью до настоящего времени не проведено и планируется осуществить в дальнейшем.