Физические основы технологии ионно-лучевой обработки оксида галлия для создания приборов силовой электроники

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 22-19-00166

НазваниеФизические основы технологии ионно-лучевой обработки оксида галлия для создания приборов силовой электроники

Руководитель Титов Андрей Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

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

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова Широкозонные полупроводники, оксид галлия, Ga2O3, ионно-лучевые технологии, радиационные дефекты, повреждения структуры, каскад смещений, топография поверхности, приборы силовой электроники

Код ГРНТИ29.19.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Полупроводниковые приборы силовой электроники в настоящее время используются практически в каждойсистеме генерации и передачи электроэнергии. Около 13% вырабатываемой электроэнергии сегодня теряется в результате процессов переключения и преобразования, и поэтому повышение эффективности силовых устройств имеет решающее значение для глобальной экономии энергии. Из-за ограниченной доступности полупроводниковых переключателей в диапазоне ≥10 кВ в настоящее время для понижения высокого напряжения используются трансформаторы, эффективность которых невелика. Существует также острая потребность в новых полупроводниковых устройствах силовой электроники, которые будут работать в диапазоне до нескольких киловольт в таких передовых системах, как распределенные энергетические сети, электромобили, высокоскоростные поезда и промышленная автоматизация. В то же время, кремниевая электроника практически исчерпала возможности дальнейшего роста. Поэтому поиск новых и более эффективных полупроводниковых материалов, на основе которых можно превзойти обычные приборы являются весьма актуальным. На смену кремния постепенно приходят SiC и GaN, однако, технологические трудности ограничивают возможности достаточно дешевого массового производства силовых приборов на основе этих двух материалов. Из других основных кандидатов – группа оксидных полупроводников. Среди них большой интерес привлекает оксид галлия Ga2O3, – сверхширокозонный полупроводник (4.8-5.3 эВ), который обладает целым рядом свойств, потенциально позволяющих обеспечить значительный прорыв в области силовой электроники, создания нечувствительных к солнечному свету детекторов ультрафиолетового излученияи т.д. Кроме того, согласно появившимся в последние несколько лет в литературе сведениям, для Ga2O3 можно применять многие технологические приемы микроэлектроники. Это означает, что на его основе можно будет изготавливать комплексные силовые и СВЧ чипы. Одним из основных методов модификации свойств (селективное легирование, обработка поверхности и т.д.) полупроводниковых материалов являетсяионная имплантация. Использование этого метода весьма привлекательно и при создании электронных приборов на базе оксида галлия. Однако ионная бомбардировка всегда сопровождается образованием устойчивых структурных нарушений, которые драматически влияют на все их свойства. Это, в одних случаях, является серьезным препятствием, затрудняющим использование ионной имплантации, а, в других случаях, подобное изменение свойств при облучении ионами можно как раз использовать для модификации параметров материалов и изделий. Таким образом, исследование закономерностей образования нарушений кристаллической структуры и способов управления поведением дефектов (так называемой инженерии дефектов) в оксиде галлия является весьма актуальной задачей. Получение сведений о закономерностях образования и поведения нарушений структуры при ионном облучении, их влияния на процессы переноса заряда в двух наиболее перспективных политипах Ga2O3 (альфа и бета), и составляет один из предметов настоящего проекта. Эти сведения в настоящий момент ограничиваются дозовыми зависимостями накопления дефектов при облучении бета-Ga2O3 несколькими типами атомарных ионов при комнатной температуре. Для другого важного политипа – альфа-Ga2O3– вообще нет опубликованных данных. В ходе данного проекта будет выполнен цикл исследований по установлению закономерностей радиационно-индуцированных явлений в оксиде галлия в широком диапазоне условий ионного внедрения. Результаты подобных исследований позволят выяснить физическую природу образования радиационных нарушений. Работы будут проводиться как для бета-фазы оксида галлия, которая является единственной стабильной фазой этого материала, так и для альфа-фазы, которая, хотя и является метастабильной, но ее переход в бета-фазу при атмосферном давлении происходит при достаточно высокой температуре, которую можно еще повысить, формируя тройное соединение (Ga1-xAlx)2O3с малым (< 2.5%) содержанием алюминия. Облучение будет производиться как атомарными, так и молекулярными ионами. При этом для корректного сравнения результатов будут выполняться разработанные нами условия ионного облучения. Все эти исследования должны привести к формированию физической картины накопления нарушений, выяснению закономерностей поведения в нем структурных нарушений, объяснение физики процессов, сопровождающих торможение ионов и, как следствие, выработку рекомендаций для практических приложений. Кроме того, из результатов предполагаемых исследований будут получены сравнительные данные о радиационной стойкости разных политипов оксида галлия, что весьма актуально для создания приборов способных работать в условиях повышенной радиации. Вторая цель данного проекта направлена на практическую реализацию фундаментальных знаний. На основе полученных данных будут созданы модельные структуры силовых приборов и исследованы возможности использования ионно-лучевой технологии для создания приборов силовой электроники на основе оксида галлия.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Азаров А., Венкатачалапати В., Карасев П., Титов А., Карабешкин К., Стручков А., Кузнецов А. Interplay of the disorder and strain in gallium oxide. Scientific Reports, Volume 12, Issue 1, December 2022, Номер статьи 15366 (год публикации - 2022)
10.1038/s41598-022-19191-8

2. Карасев П.А., Карабешкин К.В., Стручков А.И., Печников А.И., Николаев В.И., Андреева В.Д., Титов А.И. Накопление структурных нарушений при облученииα-Ga2O3 ионами P и PF4 Физика и техника полупроводников, том 56, вып. 9, стр. 882-887 (год публикации - 2022)
10.21883/FTP.2022.09.53409.9928

3. Карасев К.П., Стрижкин Д.А., Титов А.И., Карасев П.А. Molecular-Dynamics Simulation of Silicon Irradiation with 2–8 keV C60 Fullerene Ions Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования., номер 1, стр. 74–79 (год публикации - 2023)
10.1134/S102745102301010X

4. Клевцов А.И., Карасев П.А., Карабешкин К.В., Титов А.И. ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ НАРУШЕНИЙ ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ РАЗНЫХ МАСС В АЛЬФА-ОКСИД ГАЛЛИЯ ПРИ МАЛЫХ УРОВНЯХ ПОВРЕЖДЕНИЯ НТВ СПбГПУ. Физико-математические науки, том 16, номер 4, стр. 42-49 (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.16404

5. Е.Д. Федоренко, П.А. Карасев МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ α-Ga2O3 ОБЛУЧЕНИЕМ УСКОРЕННЫМИ ИОНАМИ Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника: тезисы докладов Всероссийской научной молодежной конференции, с.24 (год публикации - 2023)

6. Карасев К.П., Стрижкин Д.А., Карасев П.А. The Way to Analyse MD Simulation Results of Cluster Ion Bombardment IEEE Xplore Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech 2023), c.282-284 (год публикации - 2023)
10.1109/EEXPOLYTECH58658.2023.10318713

7. Стручков А.И., Титов А.И., Клевцов А.И., Карабешкин К.В., Федоренко Е.Д., Андреева В.Д., Шахмин А.Л., Печников А.И., Николаев В.И., Карасев П.А. RADIATION DAMAGE ACCUMULATION IN α-Ga2O3 UNDER keV ION BOMBARDMENT ТРУДЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ 26 КОНФЕРЕНЦИИ "ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ", том1, с.211-213 (год публикации - 2023)

8. Клевцов А.И., Стручков А.И., Федоренко Е.Д., Карабешкин К.В., Карасев П.А., Титов А.И. СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРА НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В α-Ga2O3 ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИОНАМИ P, PF4 И Xe ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ 52-й международной Тулиновской конференции ПО ФИЗИКЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С КРИСТАЛЛАМИ, номер 52, с.115 (год публикации - 2023)

9. А.И. Стручков, Я.Г. Горне, К.В. Карабешкин, П.А, Карасев, А.И. Титов Фрактальный анализ характеристик каскадов столкновений в Ga2O3 ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ 52-й международной Тулиновской конференции ПО ФИЗИКЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С КРИСТАЛЛАМИ (2023 г.), номер 51, с.57 (год публикации - 2023)

10. Стручков А.И, Карабешкин К.В., Карасев П.А., Титов А.И. Анализ параметров индивидуальных каскадов столкновений при облучении Ga2O3 атомарными и молекулярными ионами Физика и техника полупроводников, 2023, том 57, вып. 9, стр. 738-742 (год публикации - 2023)
10.61011/FTP.2023.09.56988.5560

11. Карасев К.П., Стрижкин Д.А., Карасев П.А. Convenient Way to Create an MD Model of a Hot Crystal with an Open Surface IEEE Xplore Proceedings of the International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), IEEE Xplore Proceedings, 2022, pp. 242-245 (год публикации - 2022)
10.1109/EEXPOLYTECH56308.2022.9950888

12. Клевцов А.И., Карасев П.А., Азаров А.Ю., Карабешкин К.В., Федоренко Е.Д., Титов А.И., Кузнецов А. Non-linear effects in α-Ga2O3 radiation phenomena APL Materials, volume 12, 111121 (8) (год публикации - 2024)
10.1063/5.0235497

13. Клевцов А.И., Клейманов Р.В., Азаров А.Ю., Карасев П.А., Карабешкин К.В., Титов А.И. Damage Accumulation in Alpha Gallium Oxide during Sequential keV Light Ion Implantations IEEEXplore (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755933

14. Федоренко Е.Д., Клевцов А.И., Титов А.И., Андреева В.Д., Шахмин А.Л., Карасев П.А. Модификация приповерхностных слоёв альфа оксида галлия при облучении сверхбольшими дозами ионов Физика и техника полупроводников, том 59 номер 9, стр. 513-523 (год публикации - 2024)
10.21883/0000000000

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Третий этап проекта является естественным продолжением предыдущих. К основным достижениям третьего этапа проекта следует отнести нижеследующее. Детально исследованы свойства исходных образцов α-Ga2O3, которые изготавливались для нас во ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Для этого использовался целый ряд аналитических методов: рентгеноструктурный анализ (XRD) сканирующая атомно-силовая микроскопия (AFM), резерфордовское обратное рассеяние быстрых ионов в сочетании с их каналированием (RBS/C), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS). Доказана фрактальность геометрии генерируемых каскадов при имплантации в альфа оксид галлия широкого диапазона бомбардирующих ионов. Получена зависимость фрактальности от глубины для большого числа типов ионов и их энергий. Продемонстрирована возможность использования фрактальной размерности индивидуальных каскадов столкновений как параметра, позволяющего оценивать эффективность радиационного повреждения оксида галлия различными типами ионов. Продолжены экспериментальные исследования накопления структурных нарушений при ионном облучении оксида галлия (на данном этапе в первую очередь его альфа фазы) различными ионами при комнатной температуре. Изучено поведение поверхности и приповерхностных слоев альфа оксида галлия при бомбардировке его сверхбольшими дозами ионов и установлены основные особенности этого процесса. Отметим, что подобные исследования, важные, в частности, для практических приложений, например, при проведении исследований методом ВИМС, до настоящего времени не проводились. Показано, что вне зависимости от типа ионов (применялись как легкие ионы Р, так и тяжелые Та и молекулярные PF4) толщина и рельеф поверхности альфа-оксида галлия меняется существенно слабее, чем у другого активно используемого широкозонного полупроводника – нитрида галлия несмотря на превращение приповерхностного слоя в аморфное состояние. В этом аморфном слое обнаружена декомпозиция состава за счет частичной потери кислорода и восстановление ионов галлия вплоть до нейтрального состояния. Установлено, что величина приповерхностного разупорядоченного слоя зависит от плотности потока внедряемых ионов. На базе разработанных нами представлений о механизмах, которые ответственны за усиление эффективности формирования устойчивых структурных нарушений при повышении плотности индивидуальных каскадов столкновений, выяснен вклад этих механизмов для конкретного случая облучения α-Ga2O3 ионами P и PF4. Доказано, что обнаруженный эффект обусловлен вкладами на обеих стадиях формирования стабильных нарушений: усиления внутрикаскадной генерации, и процессами диффузии точечных дефектов, происходящими после термализации каскадов. В дополнение к данным, полученным на этапе 2023 г работы над проектом, выполнены экспериментальные исследования эффектов некоммутативности накопления радиационных дефектов при со-имплантации в оксид галлия ионов отличающихся энергиями и/или типами. Показано, что некоммутативность последовательного облучения ионами F с разными энергиями явно имеет место, в то время как использование в качестве одного из типов ионов фосфора существенно подавляет данный эффект. Предложена рабочая гипотеза физической природы некоммутативности в рассматриваемом случае и пути ее экспериментальной проверки. Выполнены расчеты пороговой энергии смещения в бета-политипе оксида галлия для атомов галлия (в трех разных кристаллографических положениях) и кислорода (в двух разных кристаллографических положениях) при температурах 0 К и 300 К. Получены стереографические карты Ed в зависимости от полярного и азимутального углов. Выявлена зависимость этого параметра от положения атомов в решетке. Определены средние значения параметра Ed, необходимые для проведения расчетов в рамках приближения парных столкновений. Начаты расчета пороговой энергии смещения атомов в альфа-политипе оксида галлия.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, найдут практическое использование при создании нового поколения электронных приборов гражданского и военного назначения. Поскольку существующие материалы не позволяют достичь необходимых параметров, требуется их замена новыми, с лучшими характеристиками. Таким перспективным материалом и является оксид галлия. Ионно-пучковые технологии являются важнейшим инструментом в технологическом процессе производства электронных приборов. Применение существующих установок в будущем технологическом процессе позволит сократить издержки по производству и ускорить появление на рынке новых высокоэффективных приборов.