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

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 проекта 22-12-00003

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

Руководитель Козловский Виталий Васильевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова SiC, GaN, Ga2O3, фотолюминесценция, комбинационное рассеяние света, ЭПР, радиационные дефекты, высокотемпературное облучение, отжиг радиационных дефектов, детекторы ионизирующих излучений

Код ГРНТИ29.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Левинштейн М.Е, Лебедев А.А, Козловский В.В, Малевский Д.А. , Кузьмин , Оганесян Г.А. Current-voltage characteristics and DLTS spectra of hidg voltage SiC Schottky diodes irradiated with electrons at high temperatures Solid State Electronics, v.196 page 108405 (год публикации - 2022)
10.1016/j.sse.2022.108405

2. Лебедев А. А. , Козловский В. В., Левинштейн М. Е., Малевский Д. А. , Кузьмин Р.А. Устойчивость к электронному облучению высоковольтных 4H-SiC диодов Шоттки в рабочем диапазоне температур. Физика и техника полупроводников, том 56, выпуск 8, стр 809-813 (год публикации - 2022)
10.21883/FTP.2022.08.53150.9891

3. А.А.Лебедев, В.В.Козловский, Р.А. Кузьмин, М.Е.Левинштейн, А.М.Стрельчук Features of the Carrier Concentration Determination during Irradiation of Wide-Gap Semiconductors: The Case Study of Silicon Carbide Materials, V.15, P. 8637, (год публикации - 2022)
10.3390/ma15238637

4. А.А. Лебедев, В.В. Козловский, М.Е. Левинштейн, Д.А. Малевский, Г.А. Оганесян Влияние протонного облучения на свойства высоковольтных интегрированных 4Н-SiC Шоттки в рабочем диапазоне температур Физика и техника полупроводников, ФТП, 2023, т. 57, вып. 1 стр 53-57. (год публикации - 2023)
10.21883/FTP.2023.01.54930.4475

5. И.П. Никитина Е.В. Калинина В.В. Забродский Эффект геттерирования в Cr/4H-SiC УФ фотодетекторах при облучении протонами с энергией 15MeV Журнал технической физики, Журнал технической физики, 2023, том 93, вып. 4 стр. 562-567. (год публикации - 2023)
10.21883/JTF.2023.04.55045.259-22

6. Р.А. Бабунц, А.С. Гурин, Е.В. Единач, Ю.А. Успенская, П.Г. Баранов Особенности зарядовых состояний железа в полуизолирующем -Ga2O3:Fe, идентифицированные методом высокочастотного электронного парамагнитного резонанса Письма в ЖТФ, Письма в ЖТФ, 2023, том 49, вып. 21, стр.15-17 (год публикации - 2023)
10.21883/PJTF.2023.21.56457.19685

7. В. В. Козловский, А. Э. Васильев, А. А. Лебедев, Е. Е. Журкин, М. Е. Левинштейн, А. М. Стрельчук ОБРАЗОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ НА ОСНОВЕ ГАЛЛИЯ (Ga2O3, GaN) ПРИ ТОРМОЖЕНИИ ПРОТОНОВ ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ,, Поверхность, синхротронные и нейтронные исследования, 2023, №12, с 63-69, EDN: BHSYBZ (год публикации - 2023)
10.31857/S1028096023120099

8. В.В.Козловский, А.Э.Васильев, А.А.Лебедев, К.С.Давыдовская, М.Е.Левинштейн Effect of the Electron-Irradiation Temperature on the Formation of Radiation Defects in Silicon Carbide Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2023, Vol. 17, No. 2, pp. 397–400. (год публикации - 2023)
10.1134/S1027451023020076

9. Лебедев,АА; Козловский,ВВ; Левинштейн,МЕ; Давыдовская,КС; Кузьмин,РА Исследование комбинированного воздействия облучения и высоких температур на SiC-диоды Шоттки. Наноиндустрия научно-технический журнал, В книге (сборнике): Российский форум “Микроэлектроника-2022”, 8-я Научная конференция “Электронная компонентная база и микроэлектронные модули”. Сборник докладов Наноиндустрия, т.16, S9-1 (119), страницы: 141-143 (год публикации - 2023)
10.22184/1993-8578.2023.16.9s.141.143

10. А.М. Стрельчук , Е.В. Калинина Вольт-амперные характеристики Cr/SiC(4H) диодов Шоттки Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки., Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 16 (1.2) стр 83-89, 2023 (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.161.212

11. М.Г. Мынбаева , С.П. Лебедев Самоорганизация структуры пористого карбида кремния под внешними воздействиями Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки., Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 16 (1.1) 2023, стр 79-83. (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.161.113

12. И.А. Елисеев, Е.В. Единач, О.П. Казарова, А.Н. Смирнов Оптические и спиновые свойства вакансионных кремниевых центров, созданных облучением протонами в гетероструктуре карбида кремния 6H/15R Физика твердого тела, Физика твердого тела, 2023, том 65, вып. 6 стр 1031-1036 (год публикации - 2023)
10.21883/FTT.2023.06.55661.74

13. В.Ю. Давыдов, A.H. Смирнов, И.А. Eлисеев, Ю.Э. Китаев, Ш.Ш. Шарофидинов, А.А. Лебедев, Д.Ю. Панов, В.А. Спиридонов, Д.А. Бауман, А.Е. Романов, В.В. Козловский Исследование природы ИК люминесценции в протонно-облученном β- Ga2O3 физика и техника полупроводников (год публикации - 2023)

14. А. М. Стрельчук, В. В. Козловский, Г. А. Оганесян Влияние низкодозного облучения и последующего изохронного отжига на вольт-амперные характеристики поверхностно-барьерных диодов на основе карбида кремния. “ПОВЕРХНОСТЬ. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования” (год публикации - 2024)

15. А.М.Стрельчук, Е.В.Калинина Вакуумный отжиг Cr-SiC(4H) диодов Шоттки ПОВЕРХНОСТЬ. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования” (год публикации - 2024)

16. А.А.Лебедев, А.В.Сахаров, В.В.Козловский, Д.А.Малевский, А.Е.Николаев, М.Е.Левинштейн Влияние протонного и электронного облучения на параметры нитрид-галлиевых диодов Шоттки Журнал Физика и Техника полупроводников, ФТП, т.58, вып. 1, стр 49-52, 2024, (год публикации - 2024)
DOI: 10.61011/FTP.2024.01.57635.5980

17. А.А.Лебедев, В.В.Козловский, М.Е.Левинштейн, К.С.Давыдовская, Р.А.Кузьмин Dependence of the Silicon Carbide Radiation Resistance on the Irradiation Temperature Solid State Phenomena, Vol. 361, pp 21-25, 2024 (год публикации - 2024)
doi:10.4028/p-Ca8zY5

18. В.Ю. Давыдов , A.H. Смирнов , И.А. Eлисеев , А.А. Лебедев , M.Е. Левинштейн , В.В. Козловский Низкотемпературное люминесцентное исследование образования радиационных дефектов в 4H-SiC диодах Шоттки Физика Твердого тела (год публикации - 2024)

19. С.Ю. Давыдов , К.С. Давыдовская , В.В. Козловский , А.А. Лебедев Температурная зависимость скорости удаления носителей в 4H-SiC Физика и техника полупроводников, том 58, № 9, стр. 482 - 484 (год публикации - 2024)

20. А. А. Лебедевa, В. В. Козловскийb, М. Е. Левинштейнa, К. С. Давыдовскаяa, Р. А. Кузьминa ЗАВИСИМОСТЬ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ КАРБИДА КРЕМНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, № 9, стр 58-63 (год публикации - 2024)
10.1134/S1027451024700824

21. Козловский В.В., Лебедев А.А., Кузьмин Р.А., Малевский Д.А., Левинштейн М.Е., Оганесян Г.А. The electron and proton irradiation effects on the properties of high-voltage 4H-SiC Schottky diodes within the operating temperature range St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics, St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 17 (1) (2024) 9–20. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.18721/JPM.17101

22. А.А.Лебедев, В.В.Козловский, М.Е.Левинштейн, К.С.Давыдовская, Р.А.Кузьмин Dependence of the silicon carbide radiation on the irradiation temperature Journal Solid State Phenomena, Vol. 361, pp 21-25 (2024) (год публикации - 2024)
10.4028/p-Ca8zY5

23. Ф.Ф. Мурзаханов , Ю.А. Успенская , Е.Н. Мохов , О.П. Казарова, В.В. Козловский, В.А. Солтамов Создание NV−-дефектов в карбиде кремния 6H-SiC облучением электронами высоких энергий Физика твердого тела, Физика твердого тела, 2024, том 66, вып. 4, 537-541 (год публикации - 2024)
DOI: 10.61011/FTT.2024.04.57788.35

24. К.В.Лихачев, А.М.Скоморохов, М.В.Учаев, Ю.А.Успенская, В.В.Козловский, М.Е.Левинштейн, И.А.Елисеев, А.Н.Смирнов, Д.Д.Крамущенко, Р.А.Бабунц, П. Г.Баранов Локальная диагностика спиновых дефектов в облученных SiC-диодах Шоттки Письма в ЖЭТФ,, Письма в ЖЭТФ, том 120, вып. 5, с. 367 – 373 (год публикации - 2024)
10.31857/S0370274X24090081

25. А.М. Стрельчук, Е.В. Калинина, М.Ф. Кудояров, М.Я. Патрова Облучение ионами аргона диодов Шоттки на основе 4H-SiC Физика и техника полупроводников (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработка и использование “эффекта геттерирования” в полупроводниках препятствует или существенно снижает отрицательные последствия примесного или дефектного составов, а также позволяет изменять электрофизические характеристики приборов. Одним из методов создания внутреннего геттера является облучение полупроводников различными ионами. Широкозонный, радиационно-стойкий полупроводник 4H-SiC используется для создания силовых, высокочастотных приборов, а также детекторов УФ излучения диапазона 40-400 нм. Геттерирование радиационных дефектов наблюдалось при облучении 4H-SiC различными ионами фиксированными флюенсами. Однако структурные изменения в материале при облучении и их связь с характеристиками 4H-SiC фотоприемников не были изучены. Эту проблему частично решили при пошаговом облучении фотоприемников 4H-SiC протонами и ионами Ar. После каждого облучения образцы исследовались многочисленными методиками. Прослеживалась корреляция между структурными изменениями и спектрами внешней квантовой эффективности (QE) фотодетекторов . Впервые была выявлена цикличность эффекта геттерирования вплоть до полной деградации прибора, что позволяет спрогнозировать работу 4H-SiC УФ детекторов при облучении высокоэнергетичными ионами.

Публикации