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.

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.

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.