Работая над новой технологией получения материала, исследователи всегда вынуждены решать задачу со многими неизвестными. Каждый следующий шаг ставит новые вопросы, на которые приходится искать ответ. Именно такой была история получения первого в России слитка объёмного монокристалла оксида галлия высокого кристаллического качества, который вырастили в Университете ИТМО.
Интерес к созданию кристаллов Ga2O3 возник в начале 2010-х годов. Японские исследователи опубликовали ряд работ о возможности получения этого материала и его преимуществах для использования в различных устройствах электроники.
«В 2012-2015 годах вышли первые статьи японцев, которые 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 в 4,8-4,9 электронвольт — 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 можно использовать для силовой электроники. Сейчас начинают публиковать первые результаты исследований по МОП-транзисторам, рабочее напряжение которых может превышать 1000 вольт. В них перспективно использовать оксид галлия. Большая ширина запрещенной зоны делает оксид галлия и приборные структуры на его основе более устойчивыми к воздействию ионизирующих излучений, что открывает перспективы для применений 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.
Тигель из иридия
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, когда затравка опускается в расплав и формирует при постепенном вытягивании растущего кристалла монокристаллический образец.
Однако здесь возникает первая проблема: часто кристаллы выращивают в установке, заполненной либо инертным газом (например, аргоном), либо углекислым газом. Но в случае с оксидом галлия такая среда не подойдет.
«Состав оксида нестабильный, при расплаве из него выходит кислород, — рассказывает Панов. — Если пытаться растить из него кристаллы в аргоне или CO2, то в расплаве возникает такое вещество, как GaO или вообще металлический галлий, который формирует сплав с материалом тигля. Получается, и кристалл не растет, и сам тигель разъедается. Поэтому необходимо растить кристалл в кислородной среде».
Кислород, как известно, вовсе не инертный газ, поэтому для работы в этой 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, значительно дороже платины. Тем не менее, даже с иридием для качественного роста кристалла приходится применять сложную многоступенчатую последовательность нагрева и остывания.
Чтобы вырастить кристалл, нужен кристалл
Однако одна из главных проблем — затравка, то есть материал, который опускается в расплав, за который цепляется будущий 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, по сути рос поликристалл».
По внешнему виду такой кристалл напоминал мрамор со множеством прожилок. Он совершенно не годился 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 габаритам фрагмент кристалла, который можно было бы использовать для затравки. Его выпилили из образца и с его помощью вырастили первый монокристалл.
Перспективы
Теперь необходимо закрепить технологию, а после этого можно выходить на коммерческих партнеров, которые могли бы организовать производство столь необходимых для электроники подложек из оксида галлия для создания на их основе кристаллов полупроводниковых элементов для электроники.
«После создания объёмного кристаллического материала подложечного качества можно говорить о МОП-транзисторах и других приборах на основе созданного оксида галлия. Самое главное было создать сам кристалл», — резюмировал Дмитрий Панов.
