ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-6-943-948ntv-400Research ArticleНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESФормирование толстого слоя ε-Ga2O3 на подслое GaN с V-дефектами на границе разделаForming a thick layer of ε-Ga2O3 on the GaN sublayer with V-defects at the interfacehttps://orcid.org/0000-0003-0737-9079ИвановА. Ю.IvanovA. Yu.

Иванов Андрей Юрьевич - младший научный сотрудник, 

Санкт-Петербург, 197101

Andrey Yu. Ivanov - Junior Researcher,

Saint Petersburg, 197101

aiivanov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0354-5981ШарофидиновШ. Ш.SharofidinovSh. Sh.

Шарофидинов Шукрилло Шамсутдинович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник,

Санкт-Петербург, 194021

Shukrillo Sh. Sharofidinov - PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher,

Saint Petersburg, 194021

shukrillo71@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8715-9505ПановД. Ю.PanovD. I.

Панов Дмитрий Юрьевич - кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, 

Санкт-Петербург, 197101

Dmitrii I. Panov - PhD (Physics & Mathematics), Head of Laboratory,

Saint Petersburg, 197101

dmitriipnv@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7045-0918КремлеваА. В.KremlevaA. V.

Кремлева Арина Валерьевна - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Санкт-Петербург, 197101;

старший научный сотрудник, Санкт-Петербург, 194021

Arina V. Kremleva - PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher, Saint Petersburg, 197101;

Senior Researcher, Saint Petersburg, 194021

avkremleva@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5762-5920БауманД. А.BaumanD. A.

Бауман Дмитрий Андреевич - кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией,

Санкт-Петербург, 197101

Dmitrii A. Bauman - PhD (Physics & Mathematics), Head of Laboratory,

Saint Petersburg, 197101

dabauman@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3738-408XРомановА. Е.RomanovA. E.

Романов Алексей Евгеньевич - доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, Санкт-Петербург, 197101;

руководитель сектора, Санкт-Петербург, 194021

Alexey E. Romanov - D.Sc. (Physics & Mathematics), Professor, Chief Researcher, Saint Petersburg, 197101;

Head of Sector, Saint Petersburg, 194021

alexey.romanov@niuitmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationФизико-технический институт им. А.Ф. ИоффеРоссияIoffe InstituteRussian FederationУниверситет ИТМО; Физико-технический институт им. А.Ф. ИоффеРоссияITMO University; Ioffe InstituteRussian Federation202428122024246943948Copyright © Иванов А.Ю., Шарофидинов Ш.Ш., Панов Д.Ю., Кремлева А.В., Бауман Д.А., Романов А.Е., 20242024Иванов А.Ю., Шарофидинов Ш.Ш., Панов Д.Ю., Кремлева А.В., Бауман Д.А., Романов А.Е.Ivanov A.Y., Sharofidinov S.S., Panov D.I., Kremleva A.V., Bauman D.A., Romanov A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/400Введение

Введение. Приведены результаты исследования по получению и характеризации квазиобъемных эпитаксиальных гетероструктур ε-Ga2O3/GaN различной толщины, содержащих V-дефекты на границе раздела. Актуальность работы обусловлена активным поиском путей создания приборных гетероструктур для устройств оптоэлектроники, работающих в глубоком ультрафиолетовом диапазоне, а также HEMT-транзисторов высокочастотной и мощной электроники. Одним из таких решений является эпитаксиальное выращивание толстого слоя ε-Ga2O3 на темплейтах с эпитаксиальным слоем GaN. ε-Ga2O3 отличается большой шириной запрещенной зоны и высокой спонтанной поляризацией.

Метод

Метод. Слои оксида галия (Ga2O3) выращивались методом хлорид-гидридной газофазной эпитаксии на заранее подготовленных структурах GaN/AlN/3С-SiC/Si. В процессе охлаждения реактора до комнатной температуры, вследствие баланса коэффициентов термического расширения составляющих слоев, гетероструктура Ga2O3/GaN (с буферным слоем AlN) самопроизвольно отделяется от подложки SiC/Si. Морфология поверхности слоя Ga2O3 и поперечное сечение границы раздела в гетероструктурах Ga2O3/GaN исследовались методом растровой электронной микроскопии на микроскопе TESCAN MIRA 3. Фазовый состав и кристаллическое совершенство гетероструктуры ε-Ga2O3/GaN определялись методами рентгеновской дифракции на дифрактометре ДРОН-8 АО «ИЦ «Буревестник». Спектры пропускания гетероструктур получены методом спектрофотометрии с использованием интегрирующей сферы.

Основные результаты

Основные результаты. Показана возможность получения эпитаксиальных гетероструктур Ga2O3/GaN методом хлоридгидридной газофазной эпитаксии с последующим отделением от темплейта. Исследования методом растровой электронной микроскопии показали, что гетероструктуры Ga2O3/GaN содержат квазиобъемный слой Ga2O3 толщиной 100 мкм. Продемонстрировано, что ростовая поверхность GaN содержит V-дефекты, показан эффект заращивания V-дефектов эпитаксиальным слоем Ga2O3. Исследования методом рентгеновской дифракции позволили установить, что сформированная гетероструктура содержит монокристаллический слой ε-Ga2O3, а полная ширина на уровне половины максимума интенсивности кривой дифракционного отражения 0, 0, 10 составляет 1,8°, что свидетельствует об удовлетворительном качестве эпитаксиального слоя. Таким образом, в работе представлена возможность отслаивания эпитаксиальных слоев от темплейта для получения квазиобъемных гетероструктур ε-Ga2O3/GaN достаточно большой толщины.

Обсуждение

Обсуждение. Результаты исследования открывают новые возможности создания темплейтов и подложек для эпитаксии широкозонных полупроводниковых материалов. Перспективой дальнейших работ является оптимизация режимов роста и геометрии подобных гетероструктур с толстым слоем ε-Ga2O3.

This report presents the results of an experiment to obtain and characterization of quasi-bulk monocrystal epitaxial ε-Ga2O3/GaN heterostructures which contain V-defects at the interface. The significance of this work is due to an active search for ways to develop device-heterostructures for deep-ultraviolet optoelectronics and for HEMT transistors in high-frequency and high-power electronics. One such solution is epitaxial growth of a thick ε-Ga2O3 layer on templates with GaN epitaxial layer to form ε-Ga2O3/GaN heterostructure. The ε-Ga2O3 is characterized by a wide band gap and high spontaneous polarization. The Ga2O3 layer was grown by chloride-hydride vapor-phase epitaxy on pre-prepared GaN/AlN/3C-SiC/Si structures. As the reactor was cooled to room temperature, the Ga2O3/GaN heterostructure (with an AlN buffer layer) spontaneously detached from the SiC/Si substrate due to the balance of the layer thermal expansion coefficients. The surface morphology of the gallium oxide layer and the cross-section of the interface in the Ga2O3/GaN heterostructures were studied using scanning electron microscopy with TESCAN MIRA 3. The phase composition and crystal quality of the Ga2O3/GaN heterostructures were studied by X-ray diffraction on the DRON-8 diffractometer of JSC Bourevestnik. Transmission spectra of the heterostructures were obtained by spectrophotometry using an integrating sphere. This paper demonstrates the epitaxial growth of Ga2O3/GaN heterostructures through chloride-hydride vapor phase epitaxy and the possibility of detaching epitaxial layers from the template. Scanning electron microscopy studies of cross-section have shown that the Ga2O3/GaN heterostructures contain a quasi-bulk gallium oxide with a thickness of about 100 microns. Additionally, it was also shown that the heterostructures contained V-defects on the GaN growth surface, with the Ga2O3 layer grow over V-defects. X-ray diffraction study revealed that the formed heterostructure contains ε-Ga2O3 monocrystal layer, and the fell width at half maximum intensity of the diffraction reflection curve 0,0,10 is 1.8 degrees, which indicates satisfactory quality for thick epitaxial layer. The results of the study openup the possibility to develop templates and substrates for epitaxial growth of wide-bandgap semiconductor materials. Optimization of the growth modes and geometry of such heterostructures with a thick ε-Ga2O3 layer is a promising area for further research.

оксид галлияширокозонные полупроводникитолстые слоигетероструктура ε-Ga2O3/GaNV-дефектыgallium oxidewide-band semiconductorsthick layersε-Ga2O3/GaN heterostructureV-defectsReferencesWang C., Zhang J., Xu S., Zhang C., Feng Q., Zhang Y., Ning J., Zhao S., Zhou H., Hao Y. Progress in state-of-the-art technologies of Ga2O3 devices // Journal of Physics D: Applied Physics. 2021. V. 54. N 24. P. 243001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abe158Wang C., Zhang J., Xu S., Zhang C., Feng Q., Zhang Y., Ning J., Zhao S., Zhou H., Hao Y. Progress in state-of-the-art technologies of Ga2O3 devices. Journal of Physics D: Applied Physics, 2021, vol. 54, no. 24, pp. 243001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abe158Bauman D.A., Panov D.I., Spiridonov V.A., Kremleva A.V., Asach A.V., Tambulatova E.V., Sakharov A.V., Romanov A.E. High quality β-Ga2O3 bulk crystals, grown by edge-defined film-fed growth method: Growth features, structural, and thermal properties // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2023. V. 41. N 5. P. 053203. https://doi.org/10.1116/6.0002644Bauman D.A., Panov D.I., Spiridonov V.A., Kremleva A.V., Asach A.V., Tambulatova E.V., Sakharov A.V., Romanov A.E. High quality β-Ga2O3 bulk crystals, grown by edge-defined film-fed growth method: Growth features, structural, and thermal properties. Journal of Vacuum Science & Technology A, 2023, vol. 41, no. 5, pp. 053203. https://doi.org/10.1116/6.0002644Hou X., Zou Y., Ding M., Qin Y., Zhang Z., Ma X., Tan P., Yu S., Zhou X., Zhao X., Xu G., Sun H., Long S. Review of polymorphous Ga2O3 materials and their solar-blind photodetector applications // Journal of Physics D: Applied Physics. 2021. V. 54. N 4. P. 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abbb45Hou X., Zou Y., Ding M., Qin Y., Zhang Z., Ma X., Tan P., Yu S., Zhou X., Zhao X., Xu G., Sun H., Long S. Review of polymorphous Ga2O3 materials and their solar-blind photodetector applications. Journal of Physics D: Applied Physics, 2021, vol. 54, no. 4, pp. 043001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abbb45Smirnov A.M., Ivanov A.Yu., Kremleva A.V., Sharofidinov Sh.Sh., Romanov A.E. Stress Relaxation due to dislocation formation in orthorhombic Ga2O3 films grown on Al2O3 substrates // Reviews on Advanced Materials and Technologies. 2022. V. 4. N 3. P. 1–6. https://doi.org/10.17586/2687-0568-2022-4-3-1-6Smirnov A.M., Ivanov A.Yu., Kremleva A.V., Sharofidinov Sh.Sh., Romanov A.E. Stress Relaxation due to dislocation formation in orthorhombic Ga2O3 films grown on Al2O3 substrates. Reviews on Advanced Materials and Technologies, 2022, vol. 4, no. 3, pp. 1–6. https://doi.org/10.17586/2687-0568-2022-4-3-1-6Smirnov A.M., Kremleva A.V., Ivanov A.Yu., Myasoedov A.V., Sokura L.A., Kirilenko D.A., Sharofidinov Sh.Sh., Romanov A.E. Stress–strain state and piezoelectric polarization in orthorhombic Ga2O3 thin films depending on growth orientation // Materials & Design. 2023. V. 226. P. 111616. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111616Smirnov A.M., Kremleva A.V., Ivanov A.Yu., Myasoedov A.V., Sokura L.A., Kirilenko D.A., Sharofidinov Sh.Sh., Romanov A.E. Stress–strain state and piezoelectric polarization in orthorhombic Ga2O3 thin films depending on growth orientation. Materials & Design, 2023, vol. 226, pp. 111616. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111616Leone S., Fornari R., Bosi M., Montedoro V., Kirste L., Doering P., Benkhelifa F., Prescher M., Manz C., Polyakov V., Ambacher O. Epitaxial growth of GaN/Ga2O3 and Ga2O3/GaN heterostructures for novel high electron mobility transistors // Journal of Crystal Growth. 2 0 2 0 . V. 534. P. 125511. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125511Leone S., Fornari R., Bosi M., Montedoro V., Kirste L., Doering P., Benkhelifa F., Prescher M., Manz C., Polyakov V., Ambacher O. Epitaxial growth of GaN/Ga2O3 and Ga2O3/GaN heterostructures for novel high electron mobility transistors. Journal of Crystal Growth, 2020, vol. 534, pp. 125511. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125511Narang K., Bag R.K., Singh V.K., Pandey A., Saini S.K., Khan R., Arora A., Padmavati M.V.G., Tyagi R., Singh R. Improvement in surface morphology and 2DEG properties of AlGaN/GaN HEMT // Journal of Alloys and Compounds. 2020. V. 815. P. 152283. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152283Narang K., Bag R.K., Singh V.K., Pandey A., Saini S.K., Khan R., Arora A., Padmavati M.V.G., Tyagi R., Singh R. Improvement in surface morphology and 2DEG properties of AlGaN/GaN HEMT. Journal of Alloys and Compounds, 2020, vol. 815, pp. 152283. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152283Kukushkin S.A., Osipov A.V., Rozhavskaya M.M., Myasoedov A.V., Troshkov S.I., Lundin V.V., Sorokin L.M., Tsatsul’nikov A.F. Growth and structure of GaN layers on silicon carbide synthesized on a Si substrate by the substitution of atoms: A model of the formation of V-defects during the growth of GaN // Physics of the Solid State. 2015. V. 57. N 9. P. 1899–1907. https://doi.org/10.1134/s1063783415090218Kukushkin S.A., Osipov A.V., Rozhavskaya M.M., Myasoedov A.V., Troshkov S.I., Lundin V.V., Sorokin L.M., Tsatsul’nikov A.F. Growth and structure of GaN layers on silicon carbide synthesized on a Si substrate by the substitution of atoms: A model of the formation of V-defects during the growth of GaN. Physics of the Solid State, 2015, vol. 57, no. 9, pp. 1899–1907. https://doi.org/10.1134/s1063783415090218Hospodková A., Hájek F., Hubáček T., Gedeonová Z., Hubík P., Hývl M., Pangrác J., Dominec F., Košutová T. Electron transport properties in high electron mobility transistor structures improved by V-Pit formation on the AlGaN/GaN interface // ACS Applied Materials & Interfaces. 2023. V. 15. N 15. P. 19646–19652. https:// doi.org/10.1021/acsami.3c00799Hospodková A., Hájek F., Hubáček T., Gedeonová Z., Hubík P., Hývl M., Pangrác J., Dominec F., Košutová T. Electron transport properties in high electron mobility transistor structures improved by V-Pit formation on the AlGaN/GaN interface. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, vol. 15, no. 15, pp. 19646–19652. https://doi.org/10.1021/acsami.3c00799Wu F., Ewing J., Lynsky C., Iza M., Nakamura S., DenBaars S.P., Speck J.S. Structure of V-defects in long wavelength GaN-based light emitting diodes // Journal of Applied Physics. 2023. V. 133. N 3. P. 035703. https://doi.org/10.1063/5.0135278Wu F., Ewing J., Lynsky C., Iza M., Nakamura S., DenBaars S.P., Speck J.S. Structure of V-defects in long wavelength GaN-based light emitting diodes. Journal of Applied Physics, 2023, vol. 133, no. 3, pp. 035703. https://doi.org/10.1063/5.0135278Nikolaev V.I., Polyakov A.Ya., Stepanov S.I., Pechnikov A.I., Nikolaev V.V., Yakimov E.B., Scheglov M.P., Chikiryaka A.V., Guzilova L.I., Timashov R.B., Shapenkov S.V., Butenko P.N. Record thick κ(ε)-Ga2O3 epitaxial layers grown on GaN/c-sapphire // Technical Physics. 2023. V. 68. N 12. P. 689–694. https://doi.org/10.1134/s1063784223080236Nikolaev V.I., Polyakov A.Ya., Stepanov S.I., Pechnikov A.I., Nikolaev V.V., Yakimov E.B., Scheglov M.P., Chikiryaka A.V., Guzilova L.I., Timashov R.B., Shapenkov S.V., Butenko P.N. Record thick κ(ε)-Ga2O3 epitaxial layers grown on GaN/c-sapphire. Technical Physics, 2023, vol. 68, no. 12, pp. 689–694. https://doi.org/10.1134/s1063784223080236Kukushkin S.A., Osipov A.V. New method for growing silicon carbide on silicon by solid-phase epitaxy: Model and experiment // Physics of the Solid State. 2008. V. 50. N 7. P. 1238–1245. https://doi.org/10.1134/s1063783408070081Kukushkin S.A., Osipov A.V. New method for growing silicon carbide on silicon by solid-phase epitaxy: Model and experiment. Physics of the Solid State, 2008, vol. 50, no. 7, pp. 1238–1245. https://doi.org/10.1134/s1063783408070081Osipov A.V., Sharofidinov S.S., Osipova E.V., Kandakov A.V., Ivanov A.Y., Kukushkin S.A. Growth and optical properties of Ga2O3 layers of different crystalline modifications // Coatings. 2022. V. 12. N 12. P. 1802. https://doi.org/10.3390/coatings12121802Osipov A.V., Sharofidinov S.S., Osipova E.V., Kandakov A.V., Ivanov A.Y., Kukushkin S.A. Growth and optical properties of Ga2O3 layers of different crystalline modifications. Coatings, 2022, vol. 12, no. 12, pp. 1802. https://doi.org/10.3390/coatings12121802Kremleva A.V., Sharofidinov Sh.Sh., Smirnov A.M., Podlesnov E., Dorogov M.V., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E., Romanov A.E. Growth of thick gallium oxide on the various substrates by halide vapor phase epitaxy // Materials Physics and Mechanics. 2020. V. 44. N 2. P. 164–171. https://doi.org/10.18720/MPM.4422020_2Kremleva A.V., Sharofidinov Sh.Sh., Smirnov A.M., Podlesnov E., Dorogov M.V., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E., Romanov A.E. Growth of thick gallium oxide on the various substrates by halide vapor phase epitaxy. Materials Physics and Mechanics, 2020, vol. 44, no. 2, pp. 164–171. https://doi.org/10.18720/MPM.4422020_2Yakimov E.B., Polyakov A.Y., Nikolaev V.I., Pechnikov A.I., Scheglov M.P., Yakimov E.E., Pearton S.J. Electrical and recombination properties of polar orthorhombic κ-Ga2O3 films prepared by halide vapor phase epitaxy // Nanomaterials. 2023. V. 13. N 7. P. 1214. https://doi.org/10.3390/nano13071214Yakimov E.B., Polyakov A.Y., Nikolaev V.I., Pechnikov A.I., Scheglov M.P., Yakimov E.E., Pearton S.J. Electrical and recombination properties of polar orthorhombic κ-Ga2O3 films prepared by halide vapor phase epitaxy. Nanomaterials, 2023, vol. 13, no. 7, pp. 1214. https://doi.org/10.3390/nano13071214

The authors declare that there are no conflicts of interest present.