Исследование радиационного дефектообразования в широкозонных полупроводниках (4H-SiC, GaN, Ga2O3)

Исследование свойств широкозонных материалов является одним из наиболее динамично развивающихся направлений физики полупроводников. Как правило, к широкозонным полупроводникам (ШП) относят материалы с величиной запрещенной зоны (Eg) > (2,5 – 3.0) эВ. По сравнению с классическими полупроводниковыми материалами – Si и GaAs, ШП позволяют создавать на их основе радиационно стойкие приборы, работающие при существенно более высоких температурах. Также прямозонные ШП позволяют формировать светоизлучющие приборы и фотоприемники в синем, фиолетовом и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Большая величина Eg обуславливает большое значение критического поля пробоя для данного полупроводника. Как следствие, ШП перспективны для создания приборов силовой электроники. В случае материалов III-N возможность создавать гетеропереходы в системе AlGaN/GaN позволяет создавать мощные транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) для применения в СВЧ технике. Приборы на основе ШП могут быть использованы для повышения надежности работы атомных электростанций, уже проектируемых термоядерных энергетических установок и устройств космической техники, требующих использования радиационно-стойкой полупроводниковой электроники, т. е полупроводниковых материалов и приборов, сохраняющих исходные свойства и/или меняющих их в допустимых пределах при облучении различными типами излучений: протонами, электронами, нейтронами, alpha- , gamma – и тяжелыми высокоэнергетичными частицами. Несмотря на ряд проведенных исследований, остается еще много неразрешенных вопросов в определении радиационной стойкости ШП полупроводников и в установлении возможных путей ее повышения. Как отмечалось выше, ШП имеют потенциально более высокие предельные рабочие температуры, чем кремний и арсенид галлия. Таким образом, представляется важным провести исследование одновременного воздействия облучения и высоких температур, т.е. исследовать температурную зависимость скорости удаления носителей, характер и свойства вводимых дефектов в зависимости от температуры облучения, а также оценить влияние вводимых при высокотемпературном облучении дефектов на свойства высоковольтных и оптоэлектронных приборов. Ранее нами было показано, что увеличение температуры облучения электронами до 200-3000С приводит к уменьшению скорости удаления носителей в SiC примерно на порядок. Для GaN и Ga203 таких исследований, насколько нам известно, проведено не было. Для этих материалов, как и для SiC важно определить характер процессов при облучении образцов высокоэнергетичными частицами, в том числе и при повышенных температурах облучения. Установить, что служит стоками образующихся радиационных дефектов, и как эффективность этих стоков зависит от исходного структурного совершенства материала и введенных примесей. В ходе предлагаемого проекта планируется провести сравнительное исследование образцов ШП методами релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ или DLTS — Deep Level Transient Spectroscopy), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР — EPR)), фотолюминесценции (ФЛ), рентгеновской спектроскопией (X-ray), катодолюминесценции (КЛ) и комбинационного рассеяния света (КРС) после облучения электронами (0,9 МэВ), протонами (15 и 2 МэВ) и тяжелыми ионами Ar (53 МэВ) как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах. Следует отметить, что участники проекта разработали и создали уникальную систему, позволяющую проводить облучение протонами и электронами при температурах до 5000С. Исследование процессов одновременного воздействия на материал облучения и повышенных температур является очень важной задачей в физике широкозонных полупроводников, одним из преимуществ которых являются высокие рабочие температуры. Как уже было показано участниками настоящего проекта, радиационная деградация SiC приборов значительно снижается в случае облучения при повышенных температурах. Этот результат имеет большое практическое значение при разработке радиационностойких систем. В ходе выполнения настоящего проекта планируется проверить данный результат и для других широкозонных материалов - GaN и Ga203. Другой уникальной чертой предлагаемого проекта является возможность анализа корреляций экспериментальных данных, полученных взаимодополняющими методами. А именно, корреляция данных спектроскопии ЭПР с данными DLTS позволит установить как микроскопическую модель создаваемых радиационных дефектов, их спиновое, а значит и зарядовое состояние дефектов, зависимость их концентрации от дозы и температуры облучения, так и глубину залегания энергетического уровня дефектов в запрещённой зоне, степень их влияния на электрофизические параметры кристалла. В качестве одного из методов диагностики исследуемых объектов будет применяться спектроскопия КРС. Этот метод относится к одному из главных источников информации о динамике кристаллической решетки. В то же время природа процесса комбинационного рассеяния света такова, что в процесс вовлекается как движение электронов, так и колебания кристаллической решетки. Этот метод позволяет: определять политип SiC, определять состав твердых растворов, проводить оценку концентрации и подвижности носителей заряда, получать информацию о микроструктуре дефектов решетки. Последующие исследования облучённых образцов методом ФЛ позволят установить корреляцию между структурными параметрами изучаемых объектов и процессами излучательной и безызлучательной рекомбинации, определяющими квантовую эффективность излучения, что является основой для использования кристаллических матриц и гетероструктур в приборах оптоэлектроники. Стоит отметить уникальную особенностью ФЛ – возможность реализации возбуждения люминесценции, как с участием уровней внутри запрещённой зоны, так и переходов зона-зона, зона-примесь (дефект) за счёт изменения энергии возбуждения (в нашем случае вплоть до 5.8 эВ (213 нм)). Последнее крайне важно при исследовании таких широкозонных матриц как Ga2O3 (Eg~4.9 эВ) и GaN (Eg~3.5 эВ для ). Важно отметить, что оптические исследования электронных и фононных спектров будут вестись методами микро-ФЛ и микро-КРС из одной и той же точки образца с высоким пространственным разрешением, что намного повышает достоверность интерпретации полученных результатов. Планируется исследовать структуры, полученные различными технологическими методами, чтобы надежно определить возможное влияние примесного фона в исходных образцах на результаты измерений. Полученные результаты позволят сделать практические выводы о возможности повышения радиационной стойкости новых ШП для создания приборов высокотемпературной электроники.