КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 14-29-00086

НазваниеНаучные основы получения широкозонных полупроводниковых материалов и наноструктур с низкой плотностью дефектов

РуководительРоманов Алексей Евгеньевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Года выполнения при поддержке РНФ2014 - 2016

КонкурсКонкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований коллективами существующих научных лабораторий (кафедр)»

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

Ключевые словаширокозонные полупроводниковые материалы; beta-Ga2O3, GaN, InAlGaN; жидкофазный и газофазный рост; дефекты в нитридных и оксидных полупроводниках; полупроводниковые наногетероструктуры; моделирование дислокаций

Код ГРНТИ47.09.48


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект нацелен на разработку и исследование новых перспективных широкозонных оксидных и нитридных полупроводниковых материалов и наноструктур с низкой плотностью дефектов на основе объемных монокристаллов и эпитаксиальных нанослоев оксида галлия (β-Ga2O3), нитрида галлия (GaN) и твердых растворов InAlGaN для полупроводниковых приборов микро- и оптоэлектроники. Наряду с уже применяющимися на практике нитридными полупроводниками специальное внимание в проекте уделяется оксиду галлия и приборным наноструктурам на его основе. Это вызвано следующими обстоятельствами: 1) Используемые в настоящее время приборы на основе кремния уже практически достигли теоретического предела совершенства, определяемого параметрами материала. Дальнейшее развитие полупроводниковых (в частности, силовых) приборов требует отказа от кремния в пользу широкозонных полупроводников. Основной акцент в современных исследованиях и разработках сделан на карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Однако если речь идет о массовом производстве приборов, то оба эти полупроводника обладают существенным недостатком. В идеальном случае слои полупроводниковых соединений должны выращиваться на доступной гомоподложке, однако, изготовить гомоподложки для GaN и SiC, не прибегая к очень сложным и дорогостоящим технологиям, невозможно. Существующие сейчас методы изготовления GaN весьма затратны и ведут к таким высоким ценам на материал, что ограничивают его применение в силовой электронике, и, хотя, ситуация с подложками для SiC несколько легче, они также дороги. 2) Оксид галлия (β-Ga2O3) до последнего времени не привлекал внимания исследователей в качестве перспективного материала для создания полупроводниковых приборов. По ширине запрещенной зоны (4.8 eV) и величине пробивного электрического поля (8 MV/cm) β-Ga2O3 значительно превосходит не только кремний, но и традиционные широкозонные полупроводники, такие как SiC и GaN. В отличие от GaN и SiC, кристаллы β-Ga2O3 могут быть выращены из расплава, что снижает себестоимость производства подложек и приборов. 3) Другим важным направлением в развитии полупроводниковой техники является замена традиционных источников освещения светодиодами на основе нитридов металлов III группы (III-нитридов), в частности, на основе GaN. Большинство современных GaN светодиодов сделано методом гетероэпитаксии InAlGaN слоев на сапфировых подложках. В данном проекте предлагается рассмотреть возможность замены сапфировых подложек на β-Ga2O3. В отличие от сапфировых подложек, подложки β-Ga2O3 могут быть проводящими, что позволяет создавать светодиоды с вертикальной геометрией. Кроме того, несоответствие параметров кристаллических решеток между GaN и β-Ga2O3 меньше, чем между GaN и сапфиром, что снижает плотность дефектов и повышает эффективность полупроводниковых приборов на подложках β-Ga2O3. В рамках проекта планируется проведение поисковых НИР по следующим направлениям: - рост объемных монокристаллов β-Ga2O3 из расплава; - рост толстых слоев монокристаталлического β-Ga2O3 из газовой фазы; - получение монокристаллических подложек β-Ga2O3; - осаждение эпитаксиальных нанослоев β-Ga2O3 и эпитаксиальный рост наноструктур III-нитридов (InAlGaN) на подложках Ga2O3; - экспериментальное исследование структуры и свойств выращенных материалов и наноструктур методами микро-катодолюминесценции, рентгеноструктурного анализа, электронной и оптической микроскопии; - теоретический анализ и компьютерное моделирование дефектных структур в объемных монокристаллах β-Ga2O3, выращенных из расплава и из газовой фазы, в эпитаксиальных нанослоях β-Ga2O3, выращенных методом хлоридной эпитаксии, в монокристаллических лентах β-Ga2O3 и в наноструктурах III-нитридов, выращенных на подложках β-Ga2O3; - разработка теоретических и компьютерных моделей, описывающих эволюцию этих дефектных структур, и поиск путей снижения их плотности; - разработка научного базиса для технологий производства полупроводниковых приборов на основе легированных нанословев β-Ga2O3 и наногетероструктур III-нитридов (InAlGaN) на подложках β-Ga2O3; - разработка аналитических и компьютерных моделей, описывающих напряженно-деформированное состояние, теплоотвод, механизмы релаксации, зарождение и развитие дефектных структур в создаваемых полупроводниковых приборах (полевом транзисторе, диоде Шоттки и светодиоде с вертикальной структурой) на основе β-Ga2O3. Все сказанное свидетельствует об актуальности и новизне предложенного комплекса экспериментальных и теоретических поисковых исследований.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будут достигнуты следующие основные результаты: - разработана методология выращивания объемных кристаллов β-Ga2O3 из расплава и газовой фазы с целью получения кристаллов β-Ga2O3 большого размера, пригодных для изготовления подложек; - разработаны способы получения монокристаллических пленок β-Ga2O3 хлорид-гидридным методом; - выращены эпитаксиальные наноструктуры InAlGaN на подложках β-Ga2O3; - получены данные комплексного экспериментального исследования структуры и свойств исследованных широкозонных полупроводнмиковых материалов и наноструктур методами микро-катодолюминесценции, рентгеноструктурного анализа, электронной и оптической микроскопии; - получены данные теоретического анализа и компьютерного моделирования эволюции дефектных (дислокационных) структур в объемных монокристаллах и слоях β-Ga2O3, выращенных из расплава и из газовой фазы, и в наноструктурах III-нитридов на подложках β-Ga2O3; - изготовлены и исследованы прототипы высоковольтных силовых полупроводниковых приборов и светодиодов на основе легированного β-Ga2O3, а также на основе InAlGaN/Ga2O3 гетероструктур; - развиты аналитические и компьютерные модели, описывающие напряженно-деформированное состояние, теплоотвод, механизмы релаксации, зарождение и развитие дефектных структур в создаваемых полупроводниковых приборах (полевом транзисторе, диоде Шоттки и светодиоде) на основе Ga2O3; - разработаны рецепты по снижению плотности дефектов в исследуемых приборных наногетероструктурах. Ожидаемые результаты проекта соответствуют мировому уровню исследований, либо не имеют мировых аналогов. Тематика β-Ga2O3 является новой и к настоящему времени недостаточно изученной, поэтому ожидается получение большого объема новых фундаментальных знаний и практических разработок. Эти результаты могут стать отправной точкой для развертывания широкомасштабных фундаментальных и прикладных исследований новых перспективных широкозонных полупроводниковых материалов и наноструктур для нано- и оптоэлектроники, а также опытно-конструкторских разработок приборов на их основе. Нацеленность проекта на создание научных основ производства новых перспективных материалов и наноструктур для энергосберегающих полупроводниковых приборов определяет его высокую научную и социально-экономическую значимость.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Методом свободной кристаллизации из расплава Al2O3–Ga2O3 получены объемные монокристаллы β-Ga2O3 размером 10 мм и более. Исследованы свойства полученных кристаллов. Показано, что они хорошего структурного качества. По данным рентгеновский дифракции кривая качания в ω-scan (001) имеет полуширину на полувысоте ~ 70 arcsec. Кристаллы прозрачны, край зоны поглощения соответствует длине волны ~260 nm. Получены данные об имеющихся в них плоскостях спайности. Впервые рассмотрен вопрос о пористости монокристаллов β-Ga2O3. На базе установки хлорид-гидридной эпитаксии нитридных полупроводников создана установка для получения эпитаксиальных нанослоев β-Ga2O3. Разработан новый реактор с рабочей температурой до 1400 оС. Реализованы методы хлоридного и сублимационного роста слоев β-Ga2O3. Методом сублимации получены слои на подложках сапфира различной ориентации. Проведены пробные ростовые процессы в реакторе HVPE. Экспериментальные исследованы слои β-Ga2O3, выращенных на подложках сапфира, и слоев III-нитридных широкозонных полупроводников на β-Gа2O3 подложках. Методами рентгеноструктурного анализа, электронной и оптической микроскопии показано, что наиболее перспективной для продолжения экспериментов является ориентация подложки a {11-20}, на которую был нанесен монокристаллический слой оксида галлия. Впервые исследован процесс роста слоев HVPE GaN на положках β-Ga2O3. Рентгеновские кривые качания этих слоев имеют полуширину на полувысоте 546 arcsec, что лучше, чем ранее сообщалось для эпитаксиальных слоев, выращенных методом MOCVD. Разработаны новые подходы к исследованию дефектов упаковки в слоях нитрида галлия. Выполнено моделирования приборов на основе β-Ga2O3 . С помощью критерия качества Хуанга (HCAFOM) сделана оценка оптимальной площади чипа полевого транзистора. Показано, что использование оксида галлия позволяет значительно уменьшить площадь прибора. По этому критерию оксид галлия превосходит карбид кремния более чем в 5 раз, а нитрид галлия – более чем в 3 раза. Отработана технология роста приборных структур (светоизлучающих р–n структур) методом хлорид-гидридной эпитаксии на нанопатернированных сапфировых подложках. Разработаны аналитические и численные модели, эффективно описывающие снижение плотности проникающих дислокаций (ПД) в эпитаксиальных наноструктурах GaN и InAlGaN на подложках Al203 и β-Ga2O3. В приближении реакционной кинетики исследована эволюция ансамбля ПД в пористых буферных слоях с учетом наклона ПД, вызванного наличием пор в структуре, и захвата ПД этими порами. Показано, что чем выше начальная плотность ПД и пористость слоя, тем быстрее снижается плотность ПД с ростом толщины пористого слоя. При начальной плотности ПД 10^9-10^10 см^(-2) в пористом слое толщиной 1-4 мкм и объемной концентрации пор 10-50 % плотность ПД уменьшается на 50-95 %. Дальнейшее увеличение толщины пористого слоя становится неэффективным. Пористость порядка 50 % дает существенное снижение плотности ПД уже при толщине слоя 300 нм, что хорошо согласуется с экспериментом. Исследованы механизмы зарождения и развития дефектных структур в процессе выращивания нанослоев GaN и InAlGaN на подложках β-Ga2O3 и подложках других матералов. Предложена теоретическая модель превращения дислокаций в микротрубки (полые ядра винтовых супердислокаций) за счет неравновесных процессов трубочной диффузии и коагуляции вакансий на дислокациях, параллельных оси роста кристалла. На основе этой модели объяснено формирование микротрубок сплющенного сечения. Развиты представления о механизмах релаксации напряжений несоответствия в различных модельных наногетероструктурах: в сплошных и полых композитные наночастицах и нанопроволоках типа «ядро-оболочка» и в плоских двух- и трехслойных нанопластинах. Исследованы критические условия зарождения в них прямоугольных призматических дислокационных петель (ПДП). Показано, что в случае малого несоответствия выгодно либо когерентное (бездислокационное) состояние наночастицы при толщине оболочки, меньшей критической, либо ее релаксированное состояние с круговой ПДП на границе раздела при толщине оболочки, большей критической. В случае больших несоответствий когерентное состояние невыгодно, и с ростом толщины оболочки можно ожидать сначала появления прямоугольных ПДП, затем – появления круговых ПДП при сохранении прямоугольных ПДП, затем – постепенного разрастания и трансформации прямоугольных ПДП в круговые. Теоретически исследована возможность предотвращения растрескивания широкозонных полупроводниковых кристаллов при эпитаксиальном росте под действием остаточных термонапряжений. Проведен оценочный расчет отношения толщины эпитаксиального слоя к толщине подложке, при котором остаточные растягивающие термонапряжения в слое окажутся меньше его реальной прочности на растяжение. Показано, что уменьшение толщины подложки может стать эффективным, если это отношение толщин превысит примерно 15. Полученный результат подтверждается результатами экспериментов по эпитаксиальному росту слоев AlN на испаряющихся в процессе роста подложках SiC. По результатам работы над проектом опубликовано online / принято к печати 6 статей в журналах, индексируемых в Scopus.

 

Публикации

1. Аргунова Т.С., Гуткин М.Ю., Кон В.Г., Мохов Е.Н. Механизмы формирования морфологических особенностей микротрубок в объемных кристаллах карбида кремния Физика твердого тела (Physics of the solid state), Том 57, номер 4, 733-740 (год публикации - 2015).

2. Гуткин М.Ю., Красницкий С.А., Смирнов А.М., Колесникова А.Л., Романов А.Е. Дислокационные петли в сплошных и полых полупроводниковых и металлических наногетероструктурах Физика твердого тела (Physics of the solid state), Том 57, номер 7, 1158-1163 (год публикации - 2015).

3. Кириленко Д.А., Ситникова А.А., Кремлёва А.В., Мынбаева М.Г., Николаев В.И. Анализ дефектов упаковки в нитриде галлия с использованием преобразования Фурье высокоразрешающих изображений Письма в журнал технической физики (Technical physics letters), Том 40, номер 24, стр. 60-68 (год публикации - 2014).

4. Маслов В.Н., Крымов В.М., Калашников Е.В., Николаев В.И. Монокристаллы β-Ga2O3, выращенные из расплава оксидов галия и алюминия Materials Physics and Mechanics, Том 21, номер 2, стр. 194-199 (год публикации - 2014).

5. Мынбаева М.Г., Печников А.И., Шарофидинов Ш.Ш., Бугров В.Е., Мынбаев К.Д., Степанов С.И., Одноблюдов М.А., Николаев В.И., Романов А.Е. Cветоизлучающие р–n структуры, выращенные хлорид–гидридной эпитаксией на структурированных подложках GaN/Al2O3 Materials Physics and Mechanics, Том 22, номер 1, стр. 30-38 (год публикации - 2015).

6. Николаев В.И., Печников А.И., Маслов В.Н., Головатенко А.А., Крымов В.М., Втепанов С.И., Жумашев Н.К., Бугров В.Е., Романов А.Е. GaN growth on β-Ga2O3 substrates by HVPE Materials Physics and Mechanics, Vol. 22, No. 1, pp. 59-63 (год публикации - 2015).


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Введена в эксплуатацию установка НИКА-3, проведены тестовые процессы по росту сапфировых лент. Проведена глубокая модернизация ростовой зоны с учетом всех имеющихся у команды проекта сведениях о расплаве оксида галлия и его кристаллизации. Разработана техническая документация на изготовление оснастки из иридия, детали оснастки находятся в изготовлении, дата поставки декабрь 2015 г. На оснастку подготовлена Патентная заявка РФ на полезную модель. Методом свободной кристаллизации в сапфировом тигле расплава Ga2O3-Al2O3 получены качественные крупные кристаллы с максимальным размером в поперечном сечении 8 мм. Кристаллы имеют крупноблочную структуру, внутри блоков плотность дефектов низкая, методом ПЭМ в ряде случаев дефекты не обнаруживались. Содержание Al в выращенных кристаллах высокое, в начальных образцах было более 5 ат.%, коррекция процесса позволила снизить легирование кристалла алюминием до ~ 3 ат.%. Исследования микрокатодолюминесценции показывают наличие широкой полосы люминесценции с максимумом при Е ~ 3,3 эВ при Т=300К, отмечается смещение пика в область высоких энергий при охлаждении образца до температуры жидкого азота. Спектр люминесценции типичен для кристаллов β-Ga2O3, она обусловлена внутризонными переходами, краевая люминесценция не наблюдается. Методом микро- и наноиндентирования исследованы механические характеристики кристаллов β-Ga2O3, получены диаграммы нагружения, по которым определены упругие модули выращенных кристаллов, значения микро- и нанотвердости. Показано, что качественные слои оксида галлия могут быть получены, используя в хлоридном процессе в качестве источника кислорода очищенный воздух. Выращенные при температуре подложки 1050 оС слои состоят из чистой β-фазы и имеют ориентации (-201). Была достигнута высокая скорость роста до 250 мкм/ч без ухудшения структурного совершенства слоев, при этом наименьшее значение полуширины рентгеновской кривой качания ~20 угл. мин было измерено для образца, выращенного с максимальной скоростью 250 мкм/ч. Отмечен эффект сужения ширины рентгеновской кривой качания для отражения (-201) β-Ga2O3 с увеличением потока GaCl. Улучшение кристаллического совершенства может быть связано как с уменьшением соотношения VI/III, так и с увеличением скорости роста при увеличении потока GaCl. По результатам ПЭМ наблюдений установлено, что слой β-Ga2O3 сформирован кристаллическими зернами трех возможных ориентаций. Это, вероятно, связано с тем, что сапфировая подложка обладает более высокой симметрией, чем β-Ga2O3 слой. Методом сублимационного роста на сапфировых и кремниевых подложках различной ориентации получены слои β-Ga2O3. Исследованы основные закономерности роста кристаллов, их состав, зависимость морфологии выросших слоев от кристаллографической ориентации сапфировой подложки. Полученные в настоящей работе экспериментальные данные свидетельствуют о перспективности применения метода сублимации для получения кристаллов оксида галлия. Показано, что при температуре роста выше 1300 °С преимущественная ориентация слоев β-Ga2O3 (111), в то время как при температурах роста ниже 1300 °С наблюдается плоскость роста (-201). Проведены экспериментальные исследования по осаждению эпитаксиальных слоев нитрида галлия на подложках оксида галлия. Получены образцы слоев GaN на пластинах β-Ga2O3, выколотых по плоскостям спайности из кристаллов, выращенных из расплава Ga2O3-Al2O3. Результаты рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и фотолюминесценции свидетельствуют, что качество структур GaN/β-Ga2O3 достаточно высокое, у лучших образцов рентгеновские кривые качания имеют FWHM = 400 arcsec, что сравнимо с лучшими образцами GaN на сапфире. Качество GaN на подложках β-Ga2O3 может быть улучшено за счет адаптации технологических приёмов роста GaN на других гетероподложках и использования различных буферных и интерфейсных слоев. Проведено теоретическое изучение начальной стадии релаксации напряжений несоответствия путем зарождения прямоугольных призматических дислокационных петель (ПДП) в модельных композитных наноструктурах, представляющих собой сферические или цилиндрические оболочки GaN, выращенные на сплошных или полых ядрах β-Ga2O3, а также плоские тонкие пленки GaN на подложках β-Ga2O3. Расчеты проводились для трех известных оценок решеточного несоответствия: 2,6, 4,7 и 10,1 %. Исследованы три характерные конфигурации ПДП: петли, вытянутые вдоль границы раздела GaN/Ga2O3, квадратные петли и петли, вытянутые вдоль нормали к границе раздела GaN/Ga2O3. При этом изучалось зарождение ПДП от границы раздела в оболочку (пленку) GaN, со свободной поверхности в оболочку (пленку) GaN и от границы раздела в ядро (подложку) β-Ga2O3. Показано, что при несоответствии 2,6% в некоторых из рассмотренных наноструктур не могут зародиться никакие ПДП. Если же зарождение ПДП возможно, то во всех рассмотренных наноструктурах энергетически выгоднее случай, когда ПДП вытянуты вдоль границ GaN/Ga2O3, причем предпочтительнее их зарождение со свободной поверхности GaN. Наноструктурой, наиболее устойчивой к зарождению петель, оказалась плоская двухслойная пластина GaN/Ga2O3, наименее устойчивой – плоская трехслойная пластина GaN/Ga2O3/GaN, в которой пленки GaN имеют одинаковую толщину. Рассчитана критическая толщина образования дислокаций несоответствия (ДН) в гетероэпитаксиальных полуполярных и неполярных полупроводниковых слоях III-нитридов с решеткой вюрцита для случая, когда ДН образуются путем призматического скольжения (ДНПС). Показано, что если угол между осью с в кристалле со структурой вюрцита и направлением полуполярного роста достигнет некоторого критического значения, например, ~70° в полуполярной гетероструктуре Al0.13Ga0.87N/GaN, то должна произойти смена режимов релаксации напряжений: ДН, образовавшиеся путем базисного скольжения (ДНБС) должны смениться на ДНПС. Это означает, что для некоторых ориентаций полуполярного роста III-нитридных гетероструктур может происходить двухосная релаксация напряжений несоответствия. Представлено сравнение полученных теоретических результатов с данными экспериментов по определению условий начала пластической релаксации в гетероструктурах AlxGa1-xN/GaN. Разработан, отлажен и протестирован компьютерный код, позволяющий проводить компьютерное моделирование эволюции и снижения плотности проникающих дислокаций (ПД) в растущих пористых гетероэпитаксиальных слоях методом двумерной дискретной динамики дислокаций. В рамках этого метода компьютерное моделирование заключается в численном решении системы уравнений Ньютона, описывающих движение каждой ПД с учетом ее взаимодействия с полем напряжений несоответствия, искаженным имеющимися порами, со свободными поверхностями этих пор и со всеми остальными ПД. Код разработан для стандартной среды программирования Matlab и снабжен специальным интерфейсом визуализации структуры дислокационного ансамбля в виде карты расположения дислокаций в любой момент времени. Полученные результаты тестовых расчетов свидетельствуют о работоспособности и высокой эффективности разработанной компьютерной модели. Разработана теоретическая модель релаксации напряжений в малых икосаэдрических частицах за счет образования круговых призматических дислокационных петель (ПДП). Показано, что зарождение петель в экваториальном сечении такой частицы энергетически выгодно, если радиус частицы превышает некоторое критическое значение. В этом случае петля расширяется до тех пор, пока не достигнет своего оптимального радиуса, который увеличивается с ростом частицы. Критический радиус частицы и оптимальный радиус петли сильно зависят от энергии дислокационного ядра. Проведен теоретический анализ и компьютерное моделирование электрических характеристик диода Шоттки (ДШ) Au/β-Ga2O3. Показано, что высота барьера Шоттки Au/β-Ga2O3 составляет 1,23 эВ, а напряжение открытия ~ 0,6 В при токе ~ 1 мкА. Проведено сравнение характеристик ДШ на основе β-Ga2O3 и других конкурирующих широкозонных полупроводников: 4H-SiC, AlGaN, GaN. Показано, что ДШ Au/β-Ga2O3 имеет меньший обратный ток по сравнению с Au/GaN и Ni/SiC, а рассчитанное напряжение пробоя у ДШ Au/β-Ga2O3 составляет 2513 В.

 

Публикации

1. Stepanov S.I., Nikolaev V.I., Bougrov V.E., Romanov A.E. Gallium oxide: properties and applications – a review Reviews on Advanced Materials Science, Volume 44, Issue 1, 2016, Pages 63-86 (год публикации - 2016).

2. Аргунова Т.С., Гуткин М.Ю., Казарова О.П., Мохов Е.Н., Нагалюк С.С., Дже, Дж.Х. Synchrotron x-ray study on crack prevention in AlN crystals grown on gradually decomposing SiC substrates Materials Science Forum, Volume 821-823, 2015, Pages 1011-1014 (год публикации - 2015).

3. Аргунова Т.С., Гуткин М.Ю., Мохов Е.Н., Казарова Е.Н., Лим Дж.Х., Щеглов М.П. Предотвращение растрескивания кристаллов AlN на подложках SiC путем испарения подложек Физика Твердого Тела (Physics of the solid state), Т. 57, № 12, стр. 110-117 (год публикации - 2015).

4. Артемьев Д.М., Орлова Т.С., Бугров В.Е., Одноблюдов М.А., Романов А.Е. Modeling of threading dislocation density reduction in III-nitride porous layers Journal of Electronic Materials, Vol. 44, No. 5, pp. 1287-1292 (год публикации - 2015).

5. Гузилова Л.И., Маслов В.Н., Айфантис К.Е., Романов А.Е., Николаев В.И. Определение значения микротвёрдости по методу Виккерса в монокристаллах β-Ga2O3, выращенных из собственного расплава Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, Т. 15, № 3, стр. 546-549 (год публикации - 2015).

6. Гуткин М.Ю., Колесникова А.Л., Красницкий С.А., Дорогин Л.М., Серебрякова В.С., Викарчук А.А., Романов А.Е. Stress relaxation in icosahedral small particles via generation of circular prismatic dislocation loops Scripta Materialia, vol. 105, pp. 10-13 (год публикации - 2015).

7. Гуткин М.Ю., Смирнов А.М. Initial stages of misfit stress relaxation in composite nanostructures through generation of rectangular prismatic dislocation loops Acta Materialia, Vol. 88, No. 1, pp. 91-101 (год публикации - 2015).

8. Николаев В.И., Печников А.И., Степанов С.И., Крымов В.М., Маслов В.Н., Бугров В.Е., Романов А.Е. HVPE growth of GaN layers on cleaved β-Ga2O3 substrates Key Engineering Materials, Volume 674, 2016, Pages 302-307 (год публикации - 2016).

9. Рожков М.А., Колодезный Е.С., Смирнов А.М., Бугров В.Е., Романов А.Е. Сравнение характеристик диодов Шоттки на основе β-Ga2O3 и других широкозонных полупроводниковых материалов Materials Physics and Mechanics, Т. 24, № 2, стр. 194-200 (год публикации - 2015).

10. Шарофидинов Ш.Ш., Головатенко А.А., Никитина И.П., Середова Н.В., Мынбаева М.Г., Бугров В.Е., Одноблюдов М.А., Степанов С.И., Николаев В.И. Толстые эпитаксиальные слои нитрида галлия на кремниевой подложке Materials Physics and Mechanics, Volume 22, Issue 1, 2014, Pages 53-58 (год публикации - 2015).

11. Шарофидинов Ш.Ш., Николаев В.И., Смирнов А.Н., Чикиряка А.В., Никитина И.П., Одноблюдов М.А., Бугров В.Е., Романов А.Е. Снижение трещинообразования при росте AlN на Si подложках методом хлоридно-гидридной эпитаксии Физика и Техника Полупроводникав (Semiconductors), Т. 50, № 4, стр. 549-552 (год публикации - 2016).


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Получены объемные кристаллы оксида галлия; при этом выяснены особенности кристаллизации оксида галлия и роста больших кристаллов. Методом EFG (Edge-Defined Film-Fed Growth) выращены кристаллы на затравку. Впервые осуществлена успешная попытка роста кристаллов по методу Бриджмена-Стокбаргера в неметаллическом тигле. Получены большие поликристаллы с отдельными крупными блоками. Отделенные от слитка блоки представляют собой монокристаллы. Структурное качество отдельных образцов близко к лучшим мировым образцам. Методом хлоридной эпитаксии получены качественные слои β-Ga2O3 и его твердых растворов (AlхGa1-х)2O3 на сапфировой подложке базисной ориентации. Методом просвечивающей микроскопии исследована дефектная структура полученных слоев. Выявлены новые типы дефектов, впервые изучены дефекты упаковки в моноклинной структуре оксида галлия. Процесс хлоридной эпитаксии оксида галлия апробирован и для других подложек. В частности, исследованы особенности роста на проводящих подложках SiC/Si. Методом HVPE выращены приборные структуры p-n GaN на объемных кристаллах оксида галлия собственного производства и коммерческих подложках. Исследованы их вольт-амперные характеристики и электролюминесценция. Методом хлорид-гидридной эпитаксии получены толстые слои AlN без трещин на кремнии. Исследованы технологические приемы, позволяющие избежать растрескивания этих слоев в процессе гетероэпитаксиального роста на подложке с большим, по отношению к слою, рассогласованием параметров решетки и коэффициентов теплового расширения. Выполнено исследование по получению проводящих тонких пленок на основе оксида цинка, легированного Al, с включениями в виде наночастиц серебра. Получены высококачественные образцы пленок. Образцы прозрачны, с резкой границей поглощения в ближнем ультрафиолете. Пропускание пленок достигает около 90% при длинах волн ~500 нм, удельное электросопротивление слоев ~ 0,3 Ом·см. Завершено сравнительное изучение устойчивости композитных наноструктур, представляющих собой сферические или цилиндрические оболочки GaN, выращенные на сплошных или полых ядрах β-Ga2O3, а также плоские тонкие пленки GaN на подложках β-Ga2O3, к образованию прямоугольных призматических дислокационных петель трех разных типов в исследованных наноструктурах. Выявлены вероятные сценарии зарождения и развития таких петель, а также проведено ранжирование исследованных наноструктур по степени их устойчивости. Исследованы процессы релаксации напряжений несоответствия в III-нитридных широкозонных полупроводниках за счет образования дислокаций несоответствия (ДН) разных типов: ДН, образовавшихся путем призматического или базисного скольжения, и сидячих ДН в призматических плоскостях. Исследованы критические условия зарождения таких ДН, определены наиболее действенные механизмы релаксации напряжений несоответствия. Показано, что если угол между осью с и направлением полуполярного роста достигнет некоторого критического значения, то должна произойти смена механизмов релаксации напряжений несоответствия: ДН, образующиеся в результате базисного скольжения, должны смениться на ДН, образующиеся путем призматического скольжения. Для объяснения экспериментально наблюдавшихся особенностей дислокационной структуры слоев AlN, выращенных на испаряющихся подложках SiC, предложена качественная теоретическая модель, включающая в себя скольжение с поверхности растущего слоя AlN «первичных» и «вторичных» скользящих дислокационных полупетель. Наклоненные к плоскости интерфейса дислокационные отрезки могут формировать экспериментально наблюдавшуюся мозаичную структуру слоя AlN. Разработан математический аппарат, позволяющий строить и анализировать теоретические модели релаксации напряжений несоответствия и зарождения дефектных структур в неоднородных (композитных) наночастицах и нанопроволоках, содержащих ограненные включения другой фазы, несимметрично расположенные относительно внешней сферической или цилиндрической поверхности гетероструктуры. Развита компьютерная модель дискретной динамики дислокаций вблизи пор в напряженном растущем слое GaN или другого широкозонного материала. Показано, что плотность возникающих дислокационных структур существенно зависит от отношения площади поперечного сечения поры к площади области моделирования. Например, увеличение доли поверхности пор на поверхности слоя до 6 % должно приводить к снижению конечной плотности ПД примерно в 2 раза, а увеличение этой доли до 25 % – примерно в 5 раз. Проведено компьютерное моделирование поля термоупругих напряжений, вызванных градиентом температур, характерным для роста монокристаллов Ga2O3 по методу Чохральского. Определена интенсивность сдвиговых напряжений по Мизесу и проведено сравнение с пределом текучести Ga2O3 при заданной температуре. Определены наиболее предпочтительные места зарождения дефектов. Показано, что учет анизотропии не оказывает сильного влияния на анализ механических свойств Ga2O3 и процессов релаксации термоупругих напряжений. Сделаны оценочные расчеты уровня термоупругих напряжений в тонких эпитаксиальных пленках (Si, GaN, AlN, BN) на толстых подложках (Al2O3, Si, Ga2O3). Показано, что использование Ga2O3 в качестве подложек для получения гетероструктур и оптоэлектронных приборов на их основе в среднем выгоднее, чем использование для этих целей Al2O3 или Si. По материалам исследований в 2016 года подготовлено и опубликовано / принято в печать 19 журнальных статей, оформлена патентная заявка и сдана в издательство коллективная монография В.Е. Бугров, М.Г. Мынбаева, К.Д. Мынбаев, В.И. Николаев, М.А. Одноблюдов, А.Е. Романов «Физические основы оптимизации свойств светодиодных материалов» по теме выполняемого проекта.

 

Публикации

1. Аргунова Т.С., Гуткин М.Ю., Щербачев К.Д., Казарова О.П., Мохов Е.Н., Дже Д. Распределение дислокаций в кристаллах AlN при выращивании на испаряемых подложках SiC Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, Том 16, №6, стр. 1038-1047 (год публикации - 2016).

2. Бугров В.Е., Мынбаева М.Г., Мынбаев К.Д., Николаев В.И., Одноблюдов М.А., Романов А.Е. Физические основы оптимизации свойств светодиодных материалов Университет ИТМО, Санкт-Петербург, - (год публикации - 2016).

3. Гузилова Л.И., Гращенко А.С., Печников А.И., Маслов В.Н., Завьялов Д.В., Абдрахманов В.Л., Романов А.Е., Николаев В.И. Исследование эпитаксиальных слоёв и монокристаллов β-Ga2O3 методом наноиндентирования Materials Physics and Mechanics, - (год публикации - 2017).

4. Гуткин М.Ю., Смирнов А.М. Initial stages of misfit stress relaxation through the formation of prismatic dislocation loops in GaN-Ga2O3 composite nanostructures Physics of the Solid State, Volume 58, Issue 8, Pages 1611-1621 (год публикации - 2016).

5. Кириленко Д.А., Кремлева А.В., Николаев В.И., Печников А.И., Степанов С.И., Одноблюдов М.А., Бугров В.Е., Романов А.Е. Дефекты в тонких эпитаксиальных слоях (AlхGa1-х)2O3, выращенных на подложках Al2O3 Materials Physics and Mechanics, - (год публикации - 2017).

6. Коломоец Д.Р., Красницкий С.А., Смирнов А.М., Гуткин М.Ю. Асимметричное включение в виде длинного параллелепипеда с одноосной поперечной собственной дилатацией в упругом цилиндре 14-19 ноября 2016 г. ежегодный форум с междунродным участием XLV "Неделя науки СПбПУ". Сборник лучших докладов, - (год публикации - 2016).

7. Кондратьев В.И., кинк И., Романов А.Е., Долгов Л. Transparent films from aluminium-doped zinc oxide fibers prepared by electrospinning method Materials Physics and Mechanics, Volume 27, Issue 2, Pages 133-141 (год публикации - 2016).

8. Красницкий С.А., Коломоец Д.Р., Смирнов А.М., Гуткин М.Ю. Misfit stresses in a composite core-shell nanowire with an eccentric parallelepipedal core subjected to one-dimensional cross dilatation eigenstrain Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2017).

9. Кукушкин С.А., Николаев В.И., Осипов А.В., Осипова Е.В., Печникав А.И., Феоктистов Н.А. Эпитаксиальный оксид галлия на подложках SiC/Si (Epitaxial Gallium Oxide on a SiC/Si Substrate) Физика твердого тела (Physics of the Solid State), Том 58, вып. 9, стр. 1812-1817 (год публикации - 2016).

10. Мынбаева М.Г., Кириленко Д.А., Ситникова А.А., Кремлева А.В., Николаев В.И., Мынбаев К.Д., Одноблюдов М.А., Липсанен Х., Бугров В.Е., Романов А.Е. Получение толстых слоев нитрида галлия методом многостадийного роста на подложках с колонной структурой Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, Том 16, №6, стр. 1048-1055 (год публикации - 2016).

11. Мынбаева М.Г., Кремлева А.В., Кириленко Д.А., Ситникова А.А., Печников А.И., Мынбаев К.Д., Николаев В.И., Бугров В.Е., Липсанен Х., Романов А.Е. TEM study of defect structure of GaN epitaxial films grown on GaN/Al2O3 substrates with buried column pattern Journal of Crystal Growth, Volume 445, Pages 30-36 (год публикации - 2016).

12. Мынбаева М.Г., Печников А.И., Смирнов А.Н., Кириленко Д.А., Рауфов С.Ч., Ситникова А.А., Одноблюдов М.А., Бугров В.Е., Мынбаев К.Д., Николаев В.И., Романов А.Е. Optical properties of thick GaN layers grown with hydride vapor-phase epitaxy on structured substrates Materials Physics and Mechanics, Volume 29, Issue 1, Pages 24-31 (год публикации - 2016).

13. Николаве В.И., Печников А.И., Степанов С.И., Никитина И.П., Смирнов А.Н., Чикиряка А.В., Шарофидинов Ш.Ш., Бугров В.Е., Романов А.Е. Epitaxial growth of (-201) β-Ga2O3 on (0001) sapphire substrates by halide vapour phase epitaxy Materials Science in Semiconductor Processing, Volume 47, Pages 16-19 (год публикации - 2016).

14. Николаев В.И., Маслов В., Степанов С.И., Печников А.И., Крымов В., Никитина И.П., Пузилова Л.И., Бугров В.Е., Романов А.Е. Growth and characterization of beta-Ga2O3 crystals Journal of Crystal Growth, Volume 457, Pages 132-136 (год публикации - 2017).

15. Николаев В.И., Печников А.И., Степанов С.И., Шарофидинов Ш.Ш., Головатенко А.А., Никитина И.П., Смирнов А.Н., Бугров В.Е., Романов А.Е., Брунков П.Н., Кириленко Д.А. Chloride epitaxy of β-Ga2O3 layers grown on c-sapphire substrates Semiconductors, Volume 50, Issue 7, Pages 980–983 (год публикации - 2016).

16. Николаев Владимир Иванович, Маслов Виктор Николаевич, Крымов Владимир Михайлович, Бугров Владислав Евгеньевич, Романов Алексей Евгеньевич, Ширшнев Павел Сергеевич Устройство для выращивания профилированных монокристаллов β-Ga2O3 из собственного расплава -, 2016134366 (год публикации - ).

17. Рожков М.А., Колесникова А.Л., Орлова Т.С., Жигилей Л.В., Романов А.Е. Disclinated rings as structural units in MD simulation of intercrystallite boundaries in graphene Materials Physics and Mechanics, Volume 29, Issue 1, Pages 101-105 (год публикации - 2016).

18. Смирнов А.М., Янг Э., Спек Дж. С., Бугров В.Е., Романов А.Е. Critical conditions for misfit dislocation nucleation via nonbasal slip in semipolar III-nitride layers APL Materials, Volume 4, Issue 1, Article number 016105 (год публикации - 2016).

19. Смирнов А.М., Янг Э.К., Бугров А.Е., Спек Дж.С., Романов А.Е. Релаксация напряжений несоответствия путем призматического скольжения дислокаций несоответствия в III-нитридных структурах XXII Петербургские чтения по проблемам прочности к 110-летию со дня рождения академика С.Н. Журкова и 85-летию со дня рождения профессора В.А. Лихачева. Сборник материалов. Санкт-Петербург 2016. Издательство Политехнического Университета, Стр. 251-253 (год публикации - 2016).

20. Форонда Х.М., Романов А.Е., Янг Э.К., Роберстон К.А., Белц Г.Е., Спек Дж.С. Curvature and Bow of Bulk GaN Substrates, Journal of Applied Physics, Volume 120, Issue 3, Article number 035104 (год публикации - 2016).

21. Ширшнева-Ващенко Е.В., Соснин И.М., Нурыев Р.К., Гладских И.А., Ляшенко Т.Г., Бугров В.Е., Романов А.Е. Electrical and optical properties of transparent conducting ZnO:Al/AgNP multilayer films Materials Physics and Mechanics, - (год публикации - 2016).