Ga2O3 un ZnMgO plāno kārtiņu izgatavošana un raksturošana pielietošanai ultraviolētā starojuma detektoros (2020.-2023.)

Projekta vadītājs Ramūnas Nedzinskas

Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001

Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/3/19/442

Platzonu pusvadītāju fotodetektori tālā ultraviolētā (UV) starojuma reģistrācijai tiek izmantoti daudziem pielietojumiem aizsardzībā, astronomijā, uguns detektēšanā, biomedicīnā, ķīmiskā zondēšanā, ūdens attīrīšanā un citās jomās. Esošā projekta mērķis ir pierādīt, ka perspektīvais platzonu pusvadītāju materiāls Ga2O3, kā arī jaunizveidotā pseidobinārā sistēma ZnO-MgO ir noderīgi pielietošanai UV sensoru jomā,  īpašu uzmanību veltot abu materiālu p-tipa dopēšanai. Tā kā beta-Ga2O3 aizliegtās zonas platums ir 4.6­­–4.9 eV, un jaunajam materiālam ZnO-MgO aizliegtā zona var būt maināma 3.3–7.8 eV diapazonā, abi materiāli ir perspektīvi UV pielietojumam, jo ir nejūtīgi pret saules redzamo gaismu. 

Šajā projektā tiks pētītas visperspektīvākie materiāli, kas ir jutīgi pret UV gaismu: beta-Ga2O3 un ZnMgO pusvadītāju plāno kārtiņu struktūras. Šie materiāli tiks izgatavoti Latvijā, pateicoties Taivānā izstrādātās tehnoloģijas pārnesei uz LU CFI tīrtelpām. Projekts paredz pieredzes apgūšanu un apmācību kā Latvijā, tā arī ārzemēs, aktivitāšu diapazonam aptverot pusvadītāju materiālu audzēšanas tehnoloģiju, to optisko un elektrisko raksturošanu, teorētisko modelēšanu, sensora ierīces prototipēšanu un izgatavošanu. Šī projekta īstenošana būs izdevīga Baltijas valstu sabiedrībai un ekonomikai, jo veicinās ieviest modernu tehnoloģiju un jaunas inženiersistēmas.

Projekts tiek īstenots Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā no 01.06.2020. līdz 31.05.2023. Projekta kopējās izmaksas ir 133'805,88 EUR.


Jaunumi par projektu

09.12.2020.

Saskaņā ar projekta izpildes plānu 2020.g. 3. kvartāla tika paredzēta WP2 darba pakete: Modernās WBG (platzonu) pusvadītāju tehnoloģijas pārnese no Nacionālās Sun-Jat Sena Universitātes (NSYSU; Kaoshiung, Taiwan) uz LU CFI, izmantojot apmācību.  Tika paredzēts veikt āremju apmācību tīrtelpu lietošanā un epitaksiālo kārtīņu audzēšanā, savukārt, platzonu pusvadītāju plāno kārtiņu struktūras raksturojums tika plānots NSYSU labortorijās.

Tomēr pandēmijas covid-19 situācijā apmācība NSYSU tiek  atlikta uz vēlāku laiku.  Attiecīgi alternatīvas mobilitātes aktivitātes tika un tiek veiktas lielākajā zinātniski pētnieciskā centrā Viļņā, Lietuvā  - Fizikas un tehnoloģijas (FTMC; partnera organizācija ) un ‘Viļņas Universitātē  (VU; ne partnera organizācija).

Galvenais komandējuma FTMC (20.09.2020. - 03.10.2020.) mērķis bija iegūt jaunas zināšanas par optisko paraugu raksturošanas metodēm, kas jāizmanto, kad tiks izaudzētas ZnMgO un Ga2O3 plānās plēves. Bija jāapgūst sekojošā aparatūra: optiskā mikroskopija (Olympus SC50) paraugu virsmas mikrostruktūras kvalitātes novērošanai, FTIR spektroskopija (Nicolet 8700) fononu sistēmas īpašību noteikšanai, optiskās absorbcijas spektroskopija (Shimadzu UV-3600), lai izpētītu materiālu raksturīgās aizliegtās zonas.


Īsā komandējuma VU (04.10.2020. - 10.10.2020.) galvenais mērķis bija iegūt jaunas tehnoloģiskās zināšanas par MOCVD reaktora (Aixtron MOCVD CCS 3x2 FT) uzturēšanu un programmēšanu, šī ierīce ir līdzīga MOCVD reaktoram ( AIX-200RF) ISSP UL (kurš pašlaik tiek apturēts). Tika veikta izsmidzinātāja regulāra tīrīšana un tika apgūts vispārīgs programmēšanas komandu kopums.

Pašreiz CFI Plāno kārtiņu laboratorijā pēc Mg mērķa (objekta) iepirkšanas vispirms tiek uzputinātas tīro ZnO un MgO plānās kārtiņas, lai sasniegtu kritiskus audzēšanas parametrus.  Pēc tam tiks audzētas Zn(x)Mg(1-x)O plānās kārtiņas ar dažādu materiāla sastāvu, to optiskās un elektriskās īpašības tiks pētītas izmantojot LU CFI aparatūru, un nepieciešamības gadījumā papildu pētījumi notiks arī FTMC (Lietuvā).

Tā kā pirmie mēģinājumi uzputināt Ga2O3 plānās kārtiņas nebija veiksmīgas, ņemot vērā zemo Ga kušanas temperatūru  (~30 oC) un sliktu Ga saķeri ar nerūsošā  tērauda mērķa turētāju, tika izstrādāts jauns mērķa turētāja dizains un pasūtīta tā izgatavošana.


10.09.2020.

Pēcdoktorantūras (PD) programmas sākotnējais posms ir veltīts literatūras izpētei par beta-Ga2O3 (beta-GO) un ZnMgO (ZMO) platzonu materiāliem. Gallija oksīds pēcdoktorantam ir diezgan jauna tēma, šajā jomā tika veikts plašs literatūras pārskats. Pašlaik tiek gatavoti prezentācijas slaidi LU CFI semināram (semināra laiks attālināta darba dēļ tika pārcelts uz PD projekta 4.mēnesi). Zemas temperatūras fotoluminiscences un modulācijas spektroskopijas iekārta partneriestādē FTMC (Fizikas un tehnoloģijas centrs, Viļņa, Lietuva) tika pielāgots UV-A (315–400 nm), UV-B (280-315 nm) un UV-C (200-280 nm) spektrāliem rajoniem, kas atbilst pētāmo plāno kārtiņu beta-GO un ZMO optiskām īpašībām. Turklāt tiek apgūta UV-VIS-NIR spektroskopijas iekārta, kas atrodas FTMC. Šobrīd notiek intensīva magnetrona smidzināšanas iekārtas apgūšana Dr. Mārtiņa Zubkina vadībā LU CFI Plāno kārtiņu laboratorijā. Iegūtās plānās kārtiņas tiek raksturotas, izmantojot Rentgenaflurescences spektrometru LU CFI Spektroskopijas laboratorijā.