Ученые получили полупроводник, который можно использовать в силовой электронике, солнечно-слепых фотодетекторах, а также для других устройств электроники и оптоэлектроники. Работа над получением первого отечественного объёмного монокристалла Ga2O3 заняла около пяти лет.

Большой интерес к созданию кристаллов Ga2O3 возник в середине 2010-х годов. Японские исследователи опубликовали ряд работ о свойствах этого материала и его преимуществах для использования в различных устройствах. «В 2012—2015 годах вышли первые статьи, в которых начали говорить о таком полупроводнике как оксид галлия, — рассказывает один из авторов полученного результата младший научный сотрудник мегафакультета фотоники Университета ИТМО Дмитрий Панов, — чем он привлек исследователей? Во‑первых, шириной запрещенной зоны — больше только у алмаза. Это приводит к тому, что он поглощает именно ультрафиолетовое излучение, что позволяет использовать его, скажем, в солнечно-слепых детекторах. К примеру, летит ракета, от ее сопла идет ультрафиолетовое излучение — датчик видит его, но не засвечивается солнцем. Кроме того, оксид галлия перспективен для приборов силовой электроники. Большая ширина запрещенной зоны делает оксид галлия и приборные структуры на его основе более устойчивыми к воздействию ионизирующих излучений, что открывает перспективы для применения этого материала в сфере электроники для ядерной промышленности и космической электроники».

До недавнего времени монокристаллы оксида галлия умели получать только в трех странах — Японии, США и Германии. Однако благодаря более чем пятилетней работе ученых из Университета ИТМО теперь такие кристаллы умеют делать и в России. На первый взгляд, получение кристалла может показаться не такой уж и сложной задачей: порошок Ga2O3 засыпается в тигель, специальную емкость для плавления, нагревается до температур выше температуры плавления, а затем из расплавленного материала по методу Чохральского получают кристалл: затравка опускается в расплав и формирует при постепенном вытягивании растущего кристалла монокристаллический образец.

ИТМО
Монокристалл Ga2O3

Однако здесь возникает проблема: часто кристаллы растят в установке, заполненной либо инертным газом (например, аргоном), либо углекислым газом. Но в случае с оксидом галлия такая среда не подойдет. «Состав оксида нестабильный, в расплавленном состоянии из него выделяется кислород, — рассказывает Панов, — если пытаться растить из него кристаллы в аргоне или CO2, то в расплаве возникает металлический галлий, который формирует сплав с материалом тигля. Получается, и кристалл не растет, и сам тигель разрушается. Поэтому необходимо растить кристалл в кислородной среде».

Кислород, как известно, вовсе не инертный газ, поэтому для работы в кислородной среде при таких высоких температурах необходимы тигли из особого материала, не вступающего в реакцию с О2. Таким материалом является, к примеру, иридий — один из самых дорогих металлов. Тем не менее, даже с иридием для качественного роста кристалла приходится применять сложную многоступенчатую последовательность нагрева и остывания.

Наука
Коронавирус может влиять на эндокринную систему

Однако одна из главных проблем — затравка, то есть материал, который опускается в расплав, за который цепляется кристалл и тянется вверх. Дело в том, что этой затравкой в идеале должен быть монокристалл того же вещества, которое находится в тигле. Проще говоря, чтобы вырастить кристалл оксида галлия, нужно уже иметь другой кристалл Ga2O3. На первый взгляд выглядит как замкнутый круг. Однако ученые Университета ИТМО смогли из него выбраться.

«Вначале мы использовали сапфир, — рассказывает Панов, — в результате в тигле росли одновременно разные блоки, которые были разноориентированны, и по сути получался поликристалл».

ИТМО
Ученые в лаборатории

Он совершенно не годится для использования в электронике, ведь для этой цели нужен цельный кусок кристалла без каких-либо дефектов. Тем не менее из таких разнонаправленных кусочков удалось выбрать достаточный по своим размерам фрагмент кристалла, который можно было бы использовать для затравки. Его выпилили из образца и с его помощью вырастили первый монокристалл.

Теперь, по словам исследователей, необходимо закрепить технологию и выходить на коммерческих партнеров, которые могли бы организовать производство столь необходимых подложек для создания на их основе кристаллов полупроводниковых элементов для электроники и оптоэлектроники.

Материал предоставлен пресс-службой Университета ИТМО

www.popmech.ru