Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Были отработаны методы выращивания из расплава объёмных монокристаллов β-Ga2O3 по методу Чохральского и Степанова, легированных акцепторной (Fe) и донорной (Si) примесями. Получены серии образцов изолирующих объёмных кристаллов β-Ga2O3, легированных железом, с удельным электрическим сопротивлением 160 ГОм*см, а также образцов проводящих объёмных кристаллов β-Ga2O3, легированных кремнием, с концентрацией кремния от 2*10^18 см^(-3) до 2*10^19 см^(-3). При этом полученное удельное сопротивление изолирующих образцов выше, чем у серийно производимых зарубежных подложек. Был отработан метод изготовления подложек с использованием лазерной резки. Для этого был использован волоконный ИК лазер с длиной волны 1,064 мкм и мощностью 30 Вт, а также УФ лазер с длиной волны 355 нм и мощностью 5 Вт. В ходе экспериментов для волоконного лазера была подобрана траектория в виде трохоиды и оптимизированы параметры траектории: диаметр 200 мкм, скорость движения 40 мм/с, диаметр луча в фокусе 30 мкм. Были экспериментально определены характеристики лазерного излучения: частота импульсов – 99 кГц, длительность импульса – 100 нс, мощность – 5 Вт. В результате были изготовлены подложки квадратной формы размерами 3х3 мм с незначительным количеством визуальных дефектов на краях подложки. Также были определены параметры для резки УФ лазером: скорость перемещения 200 мм/с, мощность излучения 1,5 Вт, частота импульсов 20 кГц, длительность импульсов 18 нс, что позволило изготовить подложки круглой формы и квадратной формы с характерным размером10 мм без визуальных дефектов. Кристаллическое качество синтезированных образцов объёмных кристаллов и подложек было исследовано методом рентгеновской дифрактометрии. На всех 2θ-спектрах образцов объёмных кристаллов (чистых и легированных) наблюдалась картина, типичная для β-фазы оксида галлия, что свидетельствует о том, что легирующая примесь не оказала влияния на фазовый состав. Анализ кривых дифракционного отражения для серии образцов показал, что с увеличением концентрации примеси увеличивается и ширина на половине максимума интенсивности кривой дифракционного отражения. Так, для образца объёмного кристалла с примесью Fe на уровне 0,01 мол. % ширина на половине максимума интенсивности дифракционного отражения составила 220 угловых секунд. Для нелегированного образца объёмного кристалла β-Ga2O3 ширина кривой дифракционного отражения на половине максимума интенсивности составила 82 угловых секунды. На изготовленных изолирующих подожках β-Ga2O3 были выращены проводящие эпитаксиальные слои β-Ga2O3, легированные кремнием. Концентрация кремния (уровень легирования) в слоях лежал в диапазоне (0.8-2.0)*10^18см^(-3). Подвижность электронов в данных слоях, измеренная с помощью четырёхзондового метода Ван дер Пау, основанного на эффекте Холла, составила (50-55) см2/В*с. Были выращены эпитаксиальные слои β-(AlxGa1-x)2O3 на подожках β-Ga2O3 с различным содержанием алюминия. По данным анализа состава методом рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии содержание алюминия в слоях варьировалось от 3%ат. до 7%ат. (x в диапазоне от 0,08 до 0,18). Толщина слоя с самым высоким составом была 0.33 мкм, всех остальных – 1 мкм. Для анализа влияния материала подложки на параметры слоя была проведена серия экспериментов по эпитаксиальному росту слоёв чистого оксида галлия β-Ga2O3 и тройного соединения β-(AlxGa1-x)2O3 с низким содержанием алюминия (x=0,08) на подложках нелегированного β-Ga2O3, β-Ga2O3 легированного кремнием (проводящие подложки, содержание кремния в подложке 1*10^19 см^(-3)), а также на подложках β-Ga2O3, легированного железом (изолирующие подложки, содержание железа в подложке 2*10^18 см^(-3)). В результате анализа и сравнения результатов эпитаксиального роста не выявлено различий в скорости роста, морфологии поверхности и составе (для слоёв с алюминием) между эпитаксиальными слоями, выращенными на разных подложках. Для образцов объёмных кристаллов β-Ga2O3 получены зависимости величины внутреннего трения и динамического модуля Юнга при комнатной температуре от амплитуды деформации для разных кристаллографических направлений. Измерения проводились методом составного пьезоэлектрического осциллятора. В результате исследований показано уменьшение абсолютных значений внутреннего трения и возрастание величин модуля Юнга в зависимости от кристаллографического направления в последовательности [100] – [001] – [010]. Методом молекулярной динамики были получены энергии образования вакансий кислорода и галлия в кристаллах β-Ga2O3. Для расчёта использовался потенциал межатомного взаимодействия, полученный с помощью машинного обучения на основе данных, рассчитанных с помощью теории функционала плотности. Для кислорода энергии образования вакансии имеют три значения, соответствующие трём различным положениям кислорода в элементарной ячейке оксида галлия, равные 2,059 эВ, 2,402 эВ и 2,572 эВ. Энергии образования вакансий галлия для октаэдрического и тетраэдрического положений атомов галлия равны 8.70 эВ и 8.88 эВ соответственно. Также было проведено моделирование комплекса «атом легирующего элемента/вакансия» и показано, что образование таких комплексов является энергетически более выгодным по сравнению с пространственно разделённой парой «атом легирующего элемента» – «вакансия».

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На втором году выполнения проекта было исследовано влияние параметров технологических процессов роста с целью повышения кристаллического качества образцов. Для решения этой задачи были проведены эксперименты по изменению ростовой атмосферы и параметров вытягивания объемных кристаллов. В частности, были проведены эксперименты по увеличению процентного содержания кислорода (до 10 об. %) в ростовой атмосфере при неизменном значении давления в ростовой камере, эксперименты по выращиванию объёмных кристаллов при пониженном давлении (до 1 бар) при содержании кислорода 5 об. %, а также исследовалось влияние скорости вытягивания объемных кристаллов на их кристаллическое качество. Был выполнен ряд экспериментов по получению подложек из оксида галлия. Для решения этой задачи была получена кристаллическая буля диаметром 25 мм. Была проведена серия экспериментов по подбору параметров резки, шлифовки-полировки подложек и фиксирующего материала для операции резки були на подложки. В результате была получена подложка оксида галлия с площадью 4 см^2. Была выполнена серия экспериментов по определению оптической прочности оксида галлия. Для определения оптической прочности была проведена серия экспериментов по облучению кристаллов оксида галлия лазером с длиной волны излучения 1030 нм. По изменению диаметра аблированных областей (кратеров) при различном числе импульсов и мощности лазерного луча в диапазоне от 1,05 Вт до 3,33 Вт была определена пороговая плотность энергии, характеризующая оптическую прочность, лежащая в диапазоне от 16,29 до 25,99 Дж/см^2 для числа импульсов от 20000 до 1 соответственно. Была проведена серия экспериментов по легированию кремнием эпитаксиальных слоёв оксида галлия и изучению вопроса влияния величины потока силана (источник кремния) и температуры роста на концентрацию электронов и на кристаллическое качество растущих слоёв. Были установлены зависимости подвижности и концентрации параметров роста и проанализированы причины, ограничивающие подвижность электронов в слое. Была произведена оптимизация ростовых параметров, что привело к повышению подвижности электронов до 90-106 см^2/В·с. Был проведен рентгеноструктурный анализ полученных кристаллов β-Ga2O3 и эпитаксиальных слоёв β-Ga2O3. По данным результатов, полученных методами РД, в результате оптимизации условий роста объёмных кристаллов, были получены значения полуширины кривой дифракционного отражения 78 угл.сек. Проведен анализ структуры и фазового состава эпитаксиальных слоёв β-Ga2O3, легированных кремнием. Было показано, что легирующая примесь не оказала влияния на фазовый состав эпитаксиального слоя. Увеличение содержания кремния в слое привело к ухудшению кристаллического качества слоя. Была отработана методика формирования металлических контактов (омических и Шоттки) к непреднамеренно легированному β-Ga2O3, легированному железом β-Ga2O3:Fe и к твёрдому раствору β-(AlxGa1-x)2O3. Для всех типов контактов были получены и проанализированы вольтамперные характеристики и установлена связь характеристик контактов с типом и концентрацией легирующих примесей. Проведённые исследования позволили установить принципиально различное влияние железа и алюминия на характеристики формируемых контактов на основе металл-β-Ga2O3, что обусловлено разным характером действия примесей. Были получены данные по теплопроводности для кристаллов β-(AlxGa1-x)2O3 в трех основных кристаллографических направлениях. Показано, что незначительное введение оксида алюминия (порядка 0.5 % ат.) приводит к снижению теплопроводности во всех кристаллографических направлениях кристалла. Введение в кристалл алюминия порядка 2-4 % ат. приводит к значительному снижению теплопроводности по всем основным кристаллографическим направлениям. Минимальное полученное значение теплопроводности соответствует кристаллам с содержанием 4 % ат. алюминия (x=0,1), что отличается от нелегированных кристаллов в 2 раза. Получены данные о температурной зависимости внутреннего трения, модуля Юнга и его дефекта для образцов кристаллов β-(AlxGa1-x)2O3 с x = 0,01 и x = 0,035. В исследованных кристаллах при различных температурах определено наличие термоактивируемых эффектов релаксации упругих напряжений и дальнодействующих сил, связанных с ионами алюминия. В образцах кристаллов β-Ga2O3:Fe (0,002 мол. %) и β-Ga2O3:Si (0,002 мол. %) показано отсутствие особенностей внутреннего трения и модуля Юнга, характерных для термоактивируемых процессов и аналогичных образцам β-(AlxGa1-x)2O3. Для исследуемых кристаллов β-(Al0,035Ga0,965)2O3 показано, что внутреннее трение, характеризующее плотность подвижных дислокаций и других дефектов кристаллической структуры, снижается на ~10 % при увеличении объёмной доли кислорода в ростовой атмосфере Ar/O2 в соотношении от 95:5 об. % до 90:10 об. %, а модуль Юнга увеличивается на ~0.1%. При этом вид амплитудных зависимостей для этих величин, характеризующий распределение дефектов с указанным изменением ростовой атмосферы существенно не меняется. Для образцов кристаллов β-Ga2O3:Fe (0,002 мол. %) получены данные о влиянии последовательной температурной обработки на вид амплитудных зависимостей внутреннего трения и модуля Юнга. При обработке (отжиге) кристаллов происходило как перераспределение дефектов внутри исследуемого образца, так и на снижение плотности подвижных (для данных условий возбуждения упругих колебаний и ориентации образца) дислокаций. Исследовано влияния облучения пучком электронов высоких энергий на свойства объёмных кристаллов β-Ga2O3 и β-(AlxGa1-x)2O3. Установлено, что скорость удаления носителей при облучении электронами с энергией 0.9 МэВ составляет 4.8 см^-1. Показано наличие глубоких центров, концентрация которых не изменялась заметно при облучении образцов электронами. Методом функционала плотности был выполнен расчёт энергий формирования вакансий в объёмных кристаллах оксида галлия. Получены значения энергий формирования кислородных вакансий для трёх различных положений кислорода в решётке оксида галлия, а также энергии формирования вакансии галлия для тетраэдрической позиции галлия. В результате расчета зонной структуры было установлено, что кислородные вакансии не изменяют общую ширину запрещённой зоны β-Ga2O3, которая в рамках модели составила 4.22 эВ, а формируют дополнительный электронный уровень внутри запрещённой зоны, расположенный примерно на 2.2 эВ ниже дна зоны проводимости, и являющийся глубоким донорным уровнем.