ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ГАЛЛИЯ И ХРОМА СО СТРУКТУРОЙ КОРУНДА
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Гетероструктуры на основе оксида галлия со структурой корунда 7
1.1 Гетеропереходы и их классификация 7
1.2 Электрофизические характеристики гетеропереходов 9
1.2.1 Распределение потенциала и напряженности поля в области пространственного заряда
гетеропереходов 9
1.2.2 Ширина области пространственного заряда и емкость гетеропереходов 12
1.2.3 Вольт-амперные характеристики гетеропереходов 13
1.3. Экспериментальные исследования гетеропереходов на основе a-Ga2O,3 и других
корундообразных широкозонных полупроводников 15
1.3.1 Полупроводниковые свойства a-Ga2Os 15
1.3.2 Контакт металлов и a-Ga2O3 16
1.3.3 Гетеропереходы на основе a-Ga2O3 и а-1г20з 18
1.3.4 Гетеропереходы на основе a-Ga2O3 и a-(AlxGai-x)2O3 21
1.3.5 Гетеропереходы на основе a-Ga2O3 и CuO, CU2O 22
1.4. Полупроводниковые свойства a-C^O3 23
1.5 Заключение по литературному обзору и постановка задач 25
2. Методика эксперимента 26
2.1 Объекты исследования 26
2.2 Методика измерения структурных и оптических свойств оксидов галлия и хрома 27
2.3 Методика измерения электрофизических свойств оксидов галлия, хрома и гетероструктур на их
основе 28
3. Результаты и их обсуждение 30
3.1 Исследования структурных, оптических и электрофизических свойств тонких пленок a-Cr2O3 .30
3.1.1 Рентгенодифракционный анализ тонких пленок a-Cr2O3 30
3.1.2 Оптические свойства тонких пленок a-Cr2O3 30
3.1.3 Вольт-амперные характеристики тонких пленок a-Cr2O3 31
3.2 Исследования структурных, оптических и электрофизических свойств эпитаксиальных пленок
a-Ga2O3 37
3.2.1 Рентгенодифракционный анализ пленок a-Ga2O3 37
3.2.2 Оптические свойства пленок a-Ga2O3 37
3.2.3 Вольт-амперные характеристики пленок a-Ga2O3 38
3.3 Вольт-амперные характеристики многослойных тонкопленочных структур на основе оксидов
галлия и хрома 3.3.1 Вольт-амперные характеристики многослойных тонкопленочных структур на основе а-
СГ2О3 и ОазОз 41
3.3.2 Вольт-амперные характеристики многослойных тонкопленочных структур на основе а-
Оа2Оз и а-Сг2Оз 42
3.4 Вольт-амперные характеристики гетероструктур на основе оксидов галлия и хрома 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 49
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Гетероструктуры на основе оксида галлия со структурой корунда 7
1.1 Гетеропереходы и их классификация 7
1.2 Электрофизические характеристики гетеропереходов 9
1.2.1 Распределение потенциала и напряженности поля в области пространственного заряда
гетеропереходов 9
1.2.2 Ширина области пространственного заряда и емкость гетеропереходов 12
1.2.3 Вольт-амперные характеристики гетеропереходов 13
1.3. Экспериментальные исследования гетеропереходов на основе a-Ga2O,3 и других
корундообразных широкозонных полупроводников 15
1.3.1 Полупроводниковые свойства a-Ga2Os 15
1.3.2 Контакт металлов и a-Ga2O3 16
1.3.3 Гетеропереходы на основе a-Ga2O3 и а-1г20з 18
1.3.4 Гетеропереходы на основе a-Ga2O3 и a-(AlxGai-x)2O3 21
1.3.5 Гетеропереходы на основе a-Ga2O3 и CuO, CU2O 22
1.4. Полупроводниковые свойства a-C^O3 23
1.5 Заключение по литературному обзору и постановка задач 25
2. Методика эксперимента 26
2.1 Объекты исследования 26
2.2 Методика измерения структурных и оптических свойств оксидов галлия и хрома 27
2.3 Методика измерения электрофизических свойств оксидов галлия, хрома и гетероструктур на их
основе 28
3. Результаты и их обсуждение 30
3.1 Исследования структурных, оптических и электрофизических свойств тонких пленок a-Cr2O3 .30
3.1.1 Рентгенодифракционный анализ тонких пленок a-Cr2O3 30
3.1.2 Оптические свойства тонких пленок a-Cr2O3 30
3.1.3 Вольт-амперные характеристики тонких пленок a-Cr2O3 31
3.2 Исследования структурных, оптических и электрофизических свойств эпитаксиальных пленок
a-Ga2O3 37
3.2.1 Рентгенодифракционный анализ пленок a-Ga2O3 37
3.2.2 Оптические свойства пленок a-Ga2O3 37
3.2.3 Вольт-амперные характеристики пленок a-Ga2O3 38
3.3 Вольт-амперные характеристики многослойных тонкопленочных структур на основе оксидов
галлия и хрома 3.3.1 Вольт-амперные характеристики многослойных тонкопленочных структур на основе а-
СГ2О3 и ОазОз 41
3.3.2 Вольт-амперные характеристики многослойных тонкопленочных структур на основе а-
Оа2Оз и а-Сг2Оз 42
3.4 Вольт-амперные характеристики гетероструктур на основе оксидов галлия и хрома 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 49
Ресурс природных запасов на Земле ограничен, человечество их поглощает абсолютно нерациональными темпами, огромный вклад в это потребление вносит современная энергетика в связи с неэффективным преобразованием и передачей энергии. Энергия, полученная при горении углеводородов, чаще всего используемых в качестве топлива для электростанций, сопровождается выбросом большого количества углекислого газа, что несет ущерб для окружающего нас мира. Частично решить эту проблему можно используя альтернативные источники энергии и/или с помощью более эффективных устройств преобразования энергии - устройств силовой электроники.
На сегодняшний день приборы силовой электроники на основе кремния занимают большую часть рынка, но Si уже приблизился к пределу своей эффективности и не удовлетворяет современным требованиям. Альтернативой Si являются ультра-ширикозонные полупроводники GaN, SiC, алмаз и ОазОз. По многим своим электрофизическим свойствам оксид галлия превосходит указанные полупроводники.
Оксид галлия является бинарным полупроводниковым соединением, которое может кристаллизоваться в пяти политипах: а, в, у, 6 и в(к) [1]. Ширина запрещенной зоны ОазОз зависит от полиморфной фазы и изменяется в пределах от 4.5 до 5.3 эВ [2]. На данный момент наиболее изученной является стабильная в-фаза оксида галлия с шириной запрещенной зоны Eg = 4.8 эВ [3]. в-ОазОз имеет моноклинную кристаллическую решетку. Менее исследованный корундообразный а-ОазОз является самым широкозонным среди всех полиморфных модификаций оксида галлия с Eg = 5.3 эВ и стабильным при высоких давлениях [4].
В силу фундаментальных свойств ОазОз, достичь дырочный тип проводимости в этом материале и создать анизотипные гомопереходы не удалось, что ограничивает разработку перспективных приборов силовой электроники и ультрафиолетовой (УФ) оптоэлектроники. Попытки получить оксид галлия p-типа путем введения и активации различных легирующих примесей в лучшем случае приводят к получению изолирующего материала.
По этой причине интерес представляет исследование анизотипных гетеропереходов на основе ОазОз. Использование в-СазОз для этой цели ограничено, по причине отсутствия полупроводниковых соединений, обладающих p-типом проводимости и имеющих моноклинную структуру, этого нельзя сказать об а-ОазОз со структурой корунда. Существует множество материалов с собственной проводимостью p-типа и схожими параметрами кристаллической решетки: а-1г20з, а-БезОз и а-СгзОз. Самым оптимальным по соотношению параметров кристаллической решетки и доступности является а-Сг20з, который представляет металлооксидный полупроводник с шириной запрещенной зоны Eg = 2.9 - 3.4 эВ [5].
В связи с этим в данной работе был проведен критический анализ литературы, исследованы вольт-амперные, вольт-фарадные и фотоэлектрические характеристики структур на основе a-Ga2O3 и а-Сг20з в широком диапазоне температур, установлены возможные механизмы протекания тока в таких структурах, полученные результаты сопоставлены с достижениями зарубежных ученых.
На сегодняшний день приборы силовой электроники на основе кремния занимают большую часть рынка, но Si уже приблизился к пределу своей эффективности и не удовлетворяет современным требованиям. Альтернативой Si являются ультра-ширикозонные полупроводники GaN, SiC, алмаз и ОазОз. По многим своим электрофизическим свойствам оксид галлия превосходит указанные полупроводники.
Оксид галлия является бинарным полупроводниковым соединением, которое может кристаллизоваться в пяти политипах: а, в, у, 6 и в(к) [1]. Ширина запрещенной зоны ОазОз зависит от полиморфной фазы и изменяется в пределах от 4.5 до 5.3 эВ [2]. На данный момент наиболее изученной является стабильная в-фаза оксида галлия с шириной запрещенной зоны Eg = 4.8 эВ [3]. в-ОазОз имеет моноклинную кристаллическую решетку. Менее исследованный корундообразный а-ОазОз является самым широкозонным среди всех полиморфных модификаций оксида галлия с Eg = 5.3 эВ и стабильным при высоких давлениях [4].
В силу фундаментальных свойств ОазОз, достичь дырочный тип проводимости в этом материале и создать анизотипные гомопереходы не удалось, что ограничивает разработку перспективных приборов силовой электроники и ультрафиолетовой (УФ) оптоэлектроники. Попытки получить оксид галлия p-типа путем введения и активации различных легирующих примесей в лучшем случае приводят к получению изолирующего материала.
По этой причине интерес представляет исследование анизотипных гетеропереходов на основе ОазОз. Использование в-СазОз для этой цели ограничено, по причине отсутствия полупроводниковых соединений, обладающих p-типом проводимости и имеющих моноклинную структуру, этого нельзя сказать об а-ОазОз со структурой корунда. Существует множество материалов с собственной проводимостью p-типа и схожими параметрами кристаллической решетки: а-1г20з, а-БезОз и а-СгзОз. Самым оптимальным по соотношению параметров кристаллической решетки и доступности является а-Сг20з, который представляет металлооксидный полупроводник с шириной запрещенной зоны Eg = 2.9 - 3.4 эВ [5].
В связи с этим в данной работе был проведен критический анализ литературы, исследованы вольт-амперные, вольт-фарадные и фотоэлектрические характеристики структур на основе a-Ga2O3 и а-Сг20з в широком диапазоне температур, установлены возможные механизмы протекания тока в таких структурах, полученные результаты сопоставлены с достижениями зарубежных ученых.
В ходе работы были исследованы и проанализированы структурные, оптические и электрофизические свойства а-ОазОз и а-СгзОз. Результаты структурных исследований показали, что пленки а-ОазОз и а-СгзОз на сапфировых подложках c-plane, полученные методом хлоридной парофазной эпитаксии и ВЧ магнетронного распыления, соответственно, являются монокристаллическими с ориентацией (0001). При помощи оптических методов, экспериментально определили, что а-ОазОз и а-СгзОз являются прямозонными полупроводниками, со значениями Eg = 3.1 ± 0.1 эВ и 5.1 ± 0.1 эВ, соответственно.
Для тонких пленок а-СгзОз исследовано влияние типа контакта и температуры отжига на ВАХ. Контакт Ti/Pt к а-СгзОз является омическим, а Pt контакт к а-СгзОз проявляет омичность только при температуре отжига равной 900 °С и температуре нагрева образца более 200 °С. Для структур на основе а-СгзОз, независимо от типа контактов, при повышении температуры отжига с 500 °С до 900 °С значения плотности тока уменьшаются, это может быть связано с адсорбцией кислорода на поверхности тонких пленок а-СгзОз. Проведен анализ температурных зависимостей удельного сопротивления тонких пленок а-СгзОз в координатах, соответствующих прыжковому, зонному и поляронному механизмам проводимости. Установить механизм проводимости не удалось, но полученные из анализа параметры совпадают с литературными данными.
Исследованы ВАХ четырех серий а-ОазОз при облучении светом с длиной волны Z54 нм. ВАХ при освещении оказались линейными для всех серий а-ОазОз в диапазоне напряжений от 0 В до 100 В, а при изменении напряжения от 100 В до 200 В только для трех серий. Из анализа ВАХ были рассчитаны значения основных фотоэлектрических характеристик, которые показали перспективу а-ОазОз, не только для силовой электроники, но и для УФ оптоэлектроники.
Также, были исследованы ВАХ многослойных тонкопленочных структур на основе оксидов галлия и хрома, полученных методом ВЧ магнетронного распыления. Показано, что влияние на электрофизические характеристики может оказать материал, на котором выращены тонкие пленки. Проведен анализ температурных зависимостей удельного сопротивления в координатах, соответствующих прыжковому, зонному и поляронному механизмам проводимости. Параметры, полученные из анализа, превышают значения для тонких пленок а-СгзОз примерно в 1.4 раза.
Из анализа ВАХ гетероструктур на основе корундообразных оксидов галлия и хрома были рассчитаны значения основных фотоэлектрических характеристик. Полученные гетероструктуры не проявляют выпрямительных свойств, прямые и обратные ветви ВАХ изменяются по степенному закону. Отсутствие выпрямления объясняется низким качеством Ti контакта и высоким сопротивлением пленок а-ОазОз и а-СгзОз.
Результаты работы с публикацией докладов были представлены на 9-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики», XVIII Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела, 19-ой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов.
Выражаю благодарность лаборатории физики профилированных кристаллов ФТИ им. А.Ф. Иоффе за предоставленные результаты рентгенодифракционного анализа, пленки и спектр пропускания оксида галлия.
Для тонких пленок а-СгзОз исследовано влияние типа контакта и температуры отжига на ВАХ. Контакт Ti/Pt к а-СгзОз является омическим, а Pt контакт к а-СгзОз проявляет омичность только при температуре отжига равной 900 °С и температуре нагрева образца более 200 °С. Для структур на основе а-СгзОз, независимо от типа контактов, при повышении температуры отжига с 500 °С до 900 °С значения плотности тока уменьшаются, это может быть связано с адсорбцией кислорода на поверхности тонких пленок а-СгзОз. Проведен анализ температурных зависимостей удельного сопротивления тонких пленок а-СгзОз в координатах, соответствующих прыжковому, зонному и поляронному механизмам проводимости. Установить механизм проводимости не удалось, но полученные из анализа параметры совпадают с литературными данными.
Исследованы ВАХ четырех серий а-ОазОз при облучении светом с длиной волны Z54 нм. ВАХ при освещении оказались линейными для всех серий а-ОазОз в диапазоне напряжений от 0 В до 100 В, а при изменении напряжения от 100 В до 200 В только для трех серий. Из анализа ВАХ были рассчитаны значения основных фотоэлектрических характеристик, которые показали перспективу а-ОазОз, не только для силовой электроники, но и для УФ оптоэлектроники.
Также, были исследованы ВАХ многослойных тонкопленочных структур на основе оксидов галлия и хрома, полученных методом ВЧ магнетронного распыления. Показано, что влияние на электрофизические характеристики может оказать материал, на котором выращены тонкие пленки. Проведен анализ температурных зависимостей удельного сопротивления в координатах, соответствующих прыжковому, зонному и поляронному механизмам проводимости. Параметры, полученные из анализа, превышают значения для тонких пленок а-СгзОз примерно в 1.4 раза.
Из анализа ВАХ гетероструктур на основе корундообразных оксидов галлия и хрома были рассчитаны значения основных фотоэлектрических характеристик. Полученные гетероструктуры не проявляют выпрямительных свойств, прямые и обратные ветви ВАХ изменяются по степенному закону. Отсутствие выпрямления объясняется низким качеством Ti контакта и высоким сопротивлением пленок а-ОазОз и а-СгзОз.
Результаты работы с публикацией докладов были представлены на 9-ой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики», XVIII Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела, 19-ой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов.
Выражаю благодарность лаборатории физики профилированных кристаллов ФТИ им. А.Ф. Иоффе за предоставленные результаты рентгенодифракционного анализа, пленки и спектр пропускания оксида галлия.
