КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-72-00010

НазваниеПрирода замедленной фотопроводимости в Ga2O3

РуководительЩемеров Иван Васильевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2024

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-202 - Полупроводники

Ключевые словаОксид галлия, Ga2O3, замедленный фотоэффект, дефекты кристаллической решётки, спектроскопия глубоких уровней, солнечно-слепые фотодетекторы, ультрафиолетовые фотодетекторы, широкозонные материалы

Код ГРНТИ29.19.31

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Целью данной работы является исследование природы глубоких центров, ответственных за радикальное замедление переходных процессов в структурах на базе Ga2O3. Ga2O3 — это широкозонный полупроводник, интерес с которому резко возрос в последние годы. За счёт очень широкой запрещённой зоны (4.8 эВ для стабильного b-полиморфа и более 5 эВ для метастабильного a-Ga2O3) этот материал обладает внушительной величиной пробивного напряжения (теоретический предел 8 МВ/см, из проводящих материалов большие значения имеет только алмаз) и оптической прозрачностью вплоть до дальнего ультрафиолета (260 нм). Наиболее перспективными видятся разработки сверхмощных выпрямительных диодов, полевых транзисторов с высокими значениями пробивных напряжений, солнечно-слепых детекторов ультрафиолетового излучения. Ограничивающим фактором для использования Ga2O3 в силовых устройствах является большое количество дефектов, выступающих как центры захвата носителей в глубине запрещённой зоны. Присутствие глубоких электронных ловушек приводит к появлению длинных "хвостов" в токе диодов Шоттки и полевых транзисторов на основе n-Ga2O3 и выраженному коллапсу тока в полевых транзисторах вследствие захвата носителей глубокими центрами под затвором и между краем затвора и стоком. Отсутствие в системе оксида галлия мелких акцепторов, позволяющих получить эффективную проводимость p-типа, и сильно выраженное электрон-фононное взаимодействие, превращающее при температурах ниже примерно 200К свободные дырки в валентной зоне в малоподвижные поляронные состояния, препятствуют созданию биполярных приборов на основе оксида галлия и создают серьёзные проблемы при разработке n-p гетеропереходов с материалами, в которых легко достижимо получение дырочной проводимости. В то же время, собственные точечные дефекты и примесные атомы, являющиеся акцепторами в обычных полупроводниках, создают в оксиде галлия амфотерные центры с глубокими акцепторными состояниями в запрещённой зоне. Типичными примерами являются вакансии галлия и их модификации (т.н. "растянутые"вакансии) и комплексы с примесными атомами (ярким примером являются комплексы вакансий галлия с водородом). Концентрации таких глубоких акцепторов могут быть очень велики, что приводит к эффективному захвату дырок, возбуждаемых светом, и электронов, забрасываемых из канала транзистора в высокоомный буфер, и проявляется в сильной затяжке процессов насыщения и спада фототока в фотоприёмниках и к лагу фазы тока стока по отношению к импульсному переключению напряжения на затворе и на стоке в полевых транзисторах (т.н. явления gate lag, drain lag, kinks в импульсных характеристиках полевых транзисторов). Более того, для нынешнего состояния УФ фотоприёмников на основе диодов Шоттки в Ga2O3 характерно наблюдение аномально высокой фоточувствительности с большим усилением квантового выхода и очень медленных времён нарастания и спада фототока таких диодов. Предварительные исследования показывают, что за наблюдаемый эффект ответственно прилипание фотогенерированных дырок на глубоких акцепторах в области пространственного заряды диода Шоттки, приводящее к уменьшению высоты барьера Шоттки. Подобные центры захвата замедляют процессы переключения и удлиняют время реакции на импульс света. Это является важной причиной замедленного фотоотклика, когда при засветке собственным светом фотодетектор насыщается не сразу, а через длинный промежуток времени. Характерное время насыщения при засветке ультрафиолетовым излучением может составлять единицы секунд, что не даёт использовать этот материал в тех областях, где время отклика критически важно (детекторы пламени, трекеры спутников, космическую связь, ультрафиолетовая спектроскопия) [1-6]. Для того чтобы улучшить переходные характеристики устройств на базе Ga2O3 необходимо понять природу глубоких центров и научиться управляемо изменять их концентрацию. Решению этой задачи и будет посвящён предлагаемый проект. Для этого будут проводиться исследования спектров глубоких центров на структурах a- и b-Ga2O3, выращенных различными методами (преимущественно методом HVPE) на различных подложках (для a-полиморфа C-сапфир, R-сапфир, алмаз, для b-полиморфа собственные подложки). Для проведения электрических измерений на плёнках Ga2O3 будут создаваться металлизированные контакты (Ti/Au для омических контактов, Ni для выпрямляющих). Оптические измерения стационарных и переходных характеристик будут проводиться при засветке длинами волн от 940 до 259 нм. Применение точных методов анализа работы полупроводниковых структур является критически важным для понимания озвученных проблем, характерных для устройств оптоэлектроники. Для характеризации полученных структур будут использоваться высокоточные приборы и современные методы анализа. Емкостные методы - вольт-фарадное CV-профилирование в темноте и при освещении монохроматическим светом с разными длинами волн (LCV), емкостная релаксационная спектроскопия глубоких уровней с электрической (DLTS) и оптической (ODLTS) инжекцией и спектроскопия адмиттанса позволят получить спектры глубоких центров и дефектов, оценить их концентрацию и проследить за изменением их концентрации со временем. Емкостные измерения позволяют получить хорошее разрешение по глубине - до десятков нанометров - недоступное другим методам. Токовые методы - вольт-амперные характеристики (IV), токовый DLTS- позволят связать присутствие центров того или иного типа с электрическими свойствами структур и распространить измерения на структуры с сильной компенсацией глубокими центрами. Важным элементом работы будут являться измерения релаксационных процессов в ёмкости (ODLTS) и токе (Photoinduced Current Transient Spectroscopy, PICTS) при монохроматическом импульсном оптическом возбуждении, позволяющие распространить измерения на ловушки неосновных носителей тока и (в случае PICTS) - на высокоомные и полуизолирующие материалы. Сравнение характеристик для образцов, полученных различными методами или с другим составом, даст много информации о природе глубоких центров в Ga2O3. Проведение таких измерений позволит проследить динамику изменения спектров глубоких центров и понять, какие дефекты ответственны за увеличение темнового тока и увеличение времени переключения. Для управления концентрацией глубоких центров будет применяться радиационная обработка. Исследования будут состоять из двух шагов. На первом будет проводиться облучение образцов для определения типов радиационных эффектов и влияния их на оптические и электрофизические характеристики облучаемой структуры. Будет проводиться обработка высокоэнергетическими протонами и электронами. Данные измерений будут соотнесены с результатами моделирования пространственного распределения и концентрации дефектов с использованием программного пакета SRIM. Вторым шагом будет попытка управляемо изменить спектр и концентрацию глубоких центров с тем, чтобы улучшить переходные характеристики (амплитуду фототока и скорость переключения). Для этого образец будет облучён ионами водорода с энергиями порядка сотен кэВ малыми дозами с последующим отжигом. Ссылки: [1] J.F. McGlone, Z. Xia, Y. Zhang, et al., Trapping Effects in Si d-Doped b-Ga2O3 MESFETs on an Fe-Doped b-Ga2O3 Substrate, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS 39(7) 1042 (2018); DOI: 10.1109/LED.2018.2843344 [2] A.Y. Polyakov, N.B. Smirnov, I.V. Shchemerov, et al., Defect States Determining Dynamic Trapping-Detrapping in β-Ga2O3 Field-Effect Transistors, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 8(7) Q3013-Q3018 (2019); DOI: 10.1149/2.0031907jss [3] M. E. Ingebrigtsen, A. Yu. Kuznetsov, B. G. Svensson, et al., Impact of proton irradiation on conductivity and deep level defects in b-Ga2O3, APL Mater. 7, 022510 (2019); DOI: 10.1063/1.5054826 [4] J. Xu, W. Zheng and F. Huang. Gallium oxide solar-blind ultraviolet photodetectors: a review. J. Mater. Chem. C 7, 8753-8770 (2019); DOI: 10.1039/C9TC02055A [5] E.B. Yakimov, A.Y. Polyakov, I.V. Shchemerov, et al., Photosensitivity of Ga2O3 Schottky diodes:Effects of deep acceptor traps present before and after neutron irradiation, APL Mater. 8, 111105 (2020); doi: 10.1063/5.0030105 [6] E.B. Yakimov, A.Y. Polyakov, I.V. Shchemerov, et al., On the nature of photosensitivity gain in Ga2O3 Schottky diode detectors: Effects of hole trapping by deep acceptors, Journal of Alloys and Compounds 879, 160394 (2021); DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.160394

Ожидаемые результаты
В результате работы будут получены данные о достаточно новом, активно исследуемом материале β-Ga2O3. Такие данные представляют научный и практический интерес, так как электрические и оптические свойства данного материала позволяют использовать его во многих отраслях электроники и микроэлектроники: как основу для солнечно-слепых фотодетекторов, силовых приборов и транзисторов. Будут исследованы электрические и оптические свойства фотодетекторов и выпрямительных диодов, изготовленных на базе b-Ga2O3. Будут исследованы глубокие центры в материале, изучено влияние процессов роста на электрические параметры и кристаллическое совершенство. Это будет полезно при организации производства подобных материалов и структур в России. Студенты и аспиранты, участвующие в работе, получат уникальный опыт работы с новыми материалами, обучатся классическим и новым методикам измерения электронных и структурных параметров полупроводников. Будет получен спектр глубоких центров, связанных с радиационно-индуцированными дефектами. Изучена их природа, определено влияние на оптические и электрофизические характеристики плёнок Ga2O3. Оценено влияние подложки и толщины плёнки на вероятность дефектообразования. Реализация проекта очень важна для организации производства коммерчески-доступных устройств на базе Ga2O3 (мощных выпрямительных диодов и полевых транзисторов). Устройства с высоким уровнем фотоотклика могут быть использованы для создания новой или усовершенствования старой продукции. Так, на данный момент в качестве солнечно-слепых фотодетекторов используются более узкозонные материалы (Si, GaAs) со специальными светофильтрами, не пропускающими видимое излучение. Чувствительность таких структур чрезвычайно мала, и использование природных солнечно-слепых фотодетекторов увеличит чувствительность таких устройств на порядки. Единственное, что мешает использовать этот материал уже сейчас — это крайне малое время насыщения фототока, на два порядка превышающее таковое для узкозонных материалов с использованием светофильтров. Исправление этого недостатка будет ожидаемым результатом предложенной работы. По результатам проекта будут предложены пути для изменения концентрации глубоких центров, ответственных за замедление переходных процессов и их уровень, что приведёт к увеличению фототока при засветке собственным светом по меньшей мере в 10 раз, при небольших контролируемых изменениях темнового тока.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---