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

В последние годы оксид галлия приобрел стремительно возрастающий интерес в связи с перспективами его широких применений в силовой и высоковольтной электронике, а также в оптоэлектронике, в частности, для создания фотоприемников «слепых» для солнечного излучения (диапазон УФ-С), которые обеспечивают непревзойденную точность обнаружения очень слабых сигналов вследствие отсутствия на Земле как в солнечном излучении, так и в искусственном свете источников с длинами волн короче 280 нм. Указанные приложения базируются на уникальных свойствах этого полупроводникового соединения: большой величине запрещенной зоны и высокой оптической прозрачности вплоть до длин волн около 250 нм, возможности вариации электронной проводимости в широких пределах, высоким напряжением пробоя и сравнительно низкой стоимостью получения кристаллов и эпитаксиальных слоев. Известно, что оксид галлия может кристаллизоваться в 5 полиморфных модификациях. На сегодняшний день большинство исследований по данному материалу выполнено на моноклинном бета-Ga2O3 вследствие его термической стабильности и возможности получения больших монокристаллов. Вместе с тем, низкая симметрия моноклинной решетки бета-фазы трудно совместима с индустриально доступными подложками и склонность к растрескиванию по плоскостям спайности сдерживает ее использование в приложениях. Другие политипы - aльфа- и к(эпсилон)-фазы являются метастабильными, которые переходят в бета-фазу при высоких температурах, но по симметрии и параметрам решетки эпитаксиально соместимы с другими полупроводниковыми материалами. Так альфа-фаза имеет такую же корундовую структуру как сапфир и оксиды некоторых металлов М2О3, а к(эпсилон)-фаза хорошо сопрягается с тринитридами и карбидом кремния. Последняя из перечисленных называлась ранее как эпсилон-фаза и была отнесена по рентгено-структурным данным к гексагональному типу структуры. Однако согласно последним данным ПЭМ она является орторомбической и теперь принято ее называть как к-фаза. Важным отличительным свойством к(эпсилон)-фазы является ее рекордно высокая спонтанная поляризация, что согласно теоретическим расчетами открывает возможность создания квантовых ям с двумерной плотностью электронов на два порядка выше, чем у нитрида галлия. При достигнутом уровне технологии слои этой фазы получаются поли- или нано-кристаллическими, микроструктура которых варьируется в рамках используемого метода в зависимости параметров выращивания и вида подложки. При этом получаемые ее слои состоят из совокупности поворотных доменов, которые в совокупности формируют псевдогексагональную структуру, и содержат не только границы зерен, но и границы доменов, атомная структура которых, а также характер и степень их влияния на электронные свойства пока еще не изучены. 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. Для решения поставленной задачи будет привлечен широкий набор экспериментальных методов. Атомная структура и рекомбинационные свойства локальных областей и протяженных дефектов структуры будут исследоваться комплексом методов аналитической электронной микроскопии - просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), включая ПЭМ высокого разрешения (ВР-ПЭМ), дифракции обратно-отраженных электронов в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) и катодолюминесценции в СЭМ. Также будут изготовлены приборные структуры на основе слоев оксида галлия с омическими и шоттки контактами для изучения электрических и фотоэлектрических свойств этих материалов в широком интервале температур.