| Tytuł: | Krystalizacja z fazy gazowej wysokooporowego objętościowego azotku galu domieszkowanego manganem |
| Kierownik projektu: | Michał Boćkowski |
| Laboratorium: | Laboratorium Krystalizacji (NL-3) |
| Nazwa konkursu, programu: | OPUS |
| Numer projektu: | 2017/25/B/ST5/02897 |
| Data realizacji: | 19.01.2018 18.01.2020 |
| Podmiot realizujący: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Typ realizacji projektu: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Przyznane środki ogółem: | 934200zł |
| Przyznane środki dla podmiotu: | 934200zł |
| Instytucja finansująca: | Narodowe Centrum Nauki |
Opis projektu
| Wynikiem niezwykle dynamicznego rozwoju fizyki oraz technologii azotku galu (GaN, półprzewodnik) są liczne rozwiązania, przełomowe dla rozwoju techniki. Jednym z istotnych odkryć, opartych o GaN, była dioda elektroluminescencyjna (LED), za którą w roku 2014 przyznano nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Mimo 30 lat pracy poświęconej tzw. azotkom, w dziedzinie tej pozostaje nadal wiele wyzwań. Jednym z problemów jest otrzymanie objętościowego azotku galu o bardzo wysokiej jakości. Metoda krystalizacji, która może pozwolić na rozwiązanie tego problemu, to wzrost z fazy gazowej (hydride vapor phase epitaxy, HVPE). Jest to najpopularniejsza technologia wykorzystywana na całym świecie do otrzymywania objętościowych kryształów GaN. Zawansowana jest produkcja wysokoprzewodzących (koncentracja swobodnych elektronów w materiale przekracza 1x1018 cm-3 ) podłoży azotku galu. Nie ma na rynku natomiast podłoży wysokooporowych, zwanych również półizolacyjnymi. Byłyby one niezwykle przydatne jako podłoża do budowy struktur tranzystorowych. Domieszkowanie węglem w metodzie HVPE prowadzi do otrzymania kryształu półizolacyjnego w temperaturze pokojowej i typu p w temperaturze powyżej 500 K. Z kolei użycie żelaza jako domieszki pułapkującej elektrony prowadzi do obserwacji przewodnictwa elektronowego w wysokich temperaturach. Poziom żelaza w przerwie energetycznej azotku galu znajduje się zaledwie 0.5 eV od dna pasma przewodnictwa. Tym samym, w wysokich temperaturach żelazo oddaje wychwycone elektrony do pasma przewodnictwa. Krystalizacja GaN metodą HVPE pozwala uzyskać objętościowy azotek galu, o jednorodnej koncentracji swobodnych nośników rzędu 1x1016 cm-3 i koncentracji krzemu nie wyższej niż 1017 cm-3 . Tak wysoka czystość pozwala na kompensację donorów krzemu przy niskiej koncentracji wprowadzanej domieszki akceptorowej i/lub pułapkującej elektrony. Wbudowanie manganu do objętościowego kryształu GaN powinno spowodować powstanie poziomu pułapkującego w przerwie energetycznej, położonego w okolicy ~1.7-1.8 eV poniżej dna pasma przewodnictwa oraz przyszpilenie poziomu Fermiego w samym środku przerwy energetycznej. Otrzymany zostanie wtedy kryształ GaN półizolacyjny w zakresie temperatur do 1000 K. Powyżej 1000 K azotek galu traci swą termodynamiczna stabilność w ciśnieniu atmosferycznym. Celem projektu jest zbadanie procesu krystalizacji metodą epitaksji z fazy gazowej HVPE azotku galu (GaN) domieszkowanego manganem (Mn). W rezultacie powinno się otrzymać objętościowy kryształ GaN:Mn o lateralnym rozmiarze do 2 cali i grubości przekraczającej 1 mm, który będzie materiałem wysokooporowym w zakresie temperatur do 1000 K. Przewiduje się wykonanie dwóch serii eksperymentów krystalizacji HVPE na zarodziach GaN o wysokiej jakości. W pierwszej serii źródłem domieszki manganowej będzie czysty metal, nad którym płynął będzie rozcieńczony odpowiednim gazem nośnym chlorowodór. W wyniku reakcji manganu z chlorowodorem powstawać będzie dwuchlorek manganu, który dostarczany będzie do strefy wzrostu GaN. W tym przypadku należy spodziewać się wbudowania wyłącznie Mn do azotku galu. W drugiej serii eksperymentów, źródłem domieszki manganowej będzie związek metaloorganiczny typu Cp2Mn. Uzyskamy wtedy kryształ GaN domieszkowany manganem i węglem. Ten ostatni pierwiastek tworzy w GaN głęboki poziom akceptorowy (~1 eV ponad wierzchołkiem pasma walencyjnego) i powinien spowodować przesunięcie położenia poziomu Fermiego poniżej poziomu związanego z Mn. Własności strukturalne, optyczne oraz elektryczne kryształów otrzymywanych w dwóch seriach eksperymentów zostaną przebadane i porównane, co jest również celem niniejszego projektu. |