| Tytuł: | Badanie zjawiska dyfuzji krzemu w różnych kierunkach krystalograficznych azotku galu |
| Kierownik projektu: | Michał Boćkowski |
| Laboratorium: | Laboratorium Krystalizacji (NL-3) |
| Nazwa konkursu, programu: | OPUS |
| Numer projektu: | 2023/49/B/ST5/03319 |
| Data realizacji: | 03.01.2024 02.01.2026 |
| Podmiot realizujący: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Typ realizacji projektu: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Przyznane środki ogółem: | 1 388 800 zł |
| Przyznane środki dla podmiotu: | 1 388 800 zł |
| Instytucja finansująca: | Narodowe Centrum Nauki |
Opis projektu
| Azotek galu (GaN) jest uważany za jednego z najbardziej obiecujących kandydatów na przyszłe urządzenia elektroniczne dużej mocy. Przełączniki i tranzystory znajdują zastosowanie wszędzie. Półprzewodnikowe urządzenia mocy mają kluczowe znaczenie dla przyszłej infrastruktury energetycznej na całym świecie. Urządzenia zasilające oparte na GaN są obecnie alternatywą, która może sprostać przyszłym wymaganiom. Ich pełny triumf zależy od pomyślnych rozwiązań problemów materiałowych, które zostaną częściowo przeanalizowane i rozwiązane w tym projekcie. Krzem (Si) jest główną domieszką do otrzymywania wysoce przewodzącego (typu n+) GaN w technologiach epitaksjalnych, takich jak epitaksja metalowo-organiczna w fazie gazowej (MOVPE) i epitaksja z wiązki molekularnej (MBE), a także epitaksja w halogenkowej fazie gazowej (HVPE). Krzem jest również wszczepiany do GaN typu n i p w celu uzyskania wybranych obszarów o wyższym stężeniu wolnych nośników w urządzeniach elektronicznych. Jednak współczynnik dyfuzji Si w GaN typu n i p, a także energia aktywacji i granica rozpuszczalności Si nie została jeszcze określona. W temperaturze epitaksjalnej, rzędu 1000-1100°C, silna dyfuzja efekty nigdy nie występują w GaN. Z reguły dyfuzja rozpoczyna się w 2/3 temperatury topnienia danego związku. Ono wykazano, że temperatura topnienia GaN przekracza 2300°C. W związku z tym procesy dyfuzji rozpoczynają się w temperaturze 1300-1400°C. Na tak wysokim poziomie temperatura, GaN rozkłada się pod ciśnieniem atmosferycznym. Jeśli proces dyfuzji danego zanieczyszczenia w GaN jest wysoka temperatura, a co za tym idzie również wysokie ciśnienie azotu, co zapobiega rozkładowi powierzchni GaN, są potrzebne. Tylko dzięki technologii wyżarzania ultrawysokociśnieniowego (UHPA) możliwe jest badanie dyfuzji różnych elementów w GaN. Głównym celem niniejszej pracy jest analiza procesu dyfuzji Si w GaN o najwyższej jakości strukturalnej i czystości. Wykorzystane zostaną kryształy azotku galu wyhodowane metodą HVPE na ammonotermicznych podłożach GaN. Zjawisko dyfuzji w Zbadane zostaną cztery podstawowe kierunki krystalograficzne dla GaN: <0001>, <000-1>, <11-20> i <10-10>. Technologia UHPA zostanie wykorzystany do wymuszenia dyfuzji Si w HVPE-GaN. Zapewnia stabilność GaN w wysokich temperaturach do 1650°C poprzez stosując hydrostatyczne ciśnienie azotu do 2 GPa. Dyfuzja krzemu w GaN będzie badana przez wyżarzanie pokryte powłoką SixNy i GaN z implantem krzemu (oba traktowane jako nieskończone źródła gatunku) w wysokiej temperaturze. Badając profile głębokości Si w GaN (otrzymywany metodą spektrometrii mas jonów wtórnych; SIMS) współczynniki dyfuzji, energie aktywacji i Zostaną określone granice rozpuszczalności.Zostanie to przeprowadzone dla czterech podstawowych kierunków krystalograficznych w GaN typu n i dla kierunku <000-1> GaN typu p (nie ma masowego GaN typu p, a zatem nie ma możliwości wytwarzania niepolarnych próbek). Dopasowanie profili SIMS zostanie wykonane za pomocą Metody Różnic Skończonych. Sam profil głębokości nie jest wystarczające do zidentyfikowania mechanizmów dyfuzji. Szczegółowa analiza musi obejmować bezpośrednie porównanie profile eksperymentalne z rozwiązaniami numerycznymi pełnego układu równań różniczkowych cząstkowych. W przypadku korzystania z tej metody należy pamiętać, że stany napełnienia defektów punktowych biorących udział w procesie dyfuzji są na ogół ważne, gdy rozpuszczalność domieszki w temperaturze dyfuzji przekracza wewnętrzne stężenie przewoźników. Poziom Fermiego odchyla się wtedy od swojego wewnętrznego położenia i wpływa na powstawanie naładowanych defektów punktowych. W Dodatkowo, dyfuzja domieszki może wytwarzać pole elektryczne, które również wpływa na dyfuzję, generując dryf naładowane wady, które muszą być uwzględnione w równaniach Ficka. Wykorzystanie dwóch źródeł Si dla GaN pozwoli na lepsze zrozumienie roli defektów punktowych, w szczególności galu i wakatów azotu, w procesie dyfuzji. Powszechnie wiadomo, że implantacja jonów generuje Frenkla i Schottky'ego defekty w strukturze krystalicznej. Te z kolei nie powstają podczas dyfuzji jakiegokolwiek pierwiastka z napylonej warstwy. W ramach proponowanego projektu takie eksperymenty zostaną przeprowadzone po raz pierwszy dla GaN i Si. Należy również zwrócić uwagę na należy zwrócić uwagę na stosowanie GaN o wysokiej jakości strukturalnej i czystości. Zarówno przemieszczenia gwintów (TD), jak i zanieczyszczenia nie będą silnie zakłócają proces dyfuzji. W związku z tym wpływ TD i zanieczyszczeń nie będzie brany pod uwagę, co powinno ułatwić analizę samego procesu dyfuzji. |