Funkcionālas platzonas gallija oksīda un cinka gallāta plānas kārtiņas un jaunas uzklāšanas tehnoloģijas (2021.-2023.)

Projekta numurs: 1.1.1.1/20/A/057

Tips: Eiropas Reģionālās attīstības fonds

Projekta ilgums: 01.01.2021 - 30.06.2023.

Projekta vadītājs: LU Cietvielu fizikas institūts, Dr. Juris Purāns

Sadarbības partneri: SIA AGL Technologies, Dr. Andris Āzens, SIA BC Corporation Limited, Dr. Lauris Dimitročenko.

Kopējais finansējums: 537 004 EUR

LU CFI finansējums: 322 000 EUR

Projekta kopsavilkums: 

Gallija oksīds Ga2O3 šobrīd ir kļuvis par vienu no visvairāk pētītākajiem materiāliem. Gandrīz jebkurā ar materiālzinātni saistītā zinātniskā žurnāla numurā ir raksti par gallija oksīda audzēšanu, materiāla īpašībām vai tā ierīču pielietojumiem. Iemesls lielajai interesei ir šī platās aizliegtās zonas materiāla ārkārtīgi daudzsološās īpašības elektroniskos un optiskos pielietojumos kopā ar relatīvi nedārgiem pamatņu materiāliem. Pavisam nesen ir parādīts, ka platzonas spineļa cinka gallātam ZnGa2O4 ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar gallija oksīdu, kas būtu jāpēta padziļinātāk.

Šī rūpnieciskā pētījuma projekta mērķis ir attīstīt modernas augsta uzklāšanas ātruma PVD magnetrona izputināšanas un MOCVD tehnoloģijas, lai uzklātu funkcionālas ultra-platas aizliegtās zonas gallija oksīda Ga2O3 un cinka gallāta ZnGa2O4 plānās kārtiņas optoelektronikas un elektronikas pielietojumiem.

Galvenie uzdevumi ir:

  • Izstrādāt augsta uzklāšanas ātruma PVD magnetronu izputināšanas tehnoloģiju, lai uzklātu tīras un leģētas (p-tipa dopanti un RE) amorfas un kristāliskas gallija oksīda Ga2O3 plānās kārtiņas un ZnGa2O4 plānas kārtiņas. Galvenie pielietojumi ir (1) dziļā-UV (DUV) caurspīdīgi elektrovadoši oksīdi (TCOs) un (2) efektīvas neorganiskas luminiscējošas ierīces.
  • Izstrādāt Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu uzklāšanas tehnoloģiju ar MOCVD un attīstīt epitaksiālu n- un p-tipa Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu audzēšanas procesus dziļā-UV optoelektronikas un elektronikas pielietojumiem.

Piedāvāto rūpniecisko pētījuma projektu īstenos LU CFI, SIA AGL Technologies un SIA BC Corporation Limited. Šis starpdisciplinārais projekts sastāv no pētījumiem fizikas un ķīmijas zinātnēs (1.3., 1.4.) un materiālu inženierzinātnē (2.5.).

 


 

PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.04.2021.-30.06.2021.)

23.07.2021.

Tika turpināta izputināšanas sistēmas sagatavošana izmantošanai reaktīva divu magnetronu DC, RF un HiPIMS vienlaicīgas izputināšanas konfigurācijā. Tika pabeigta metāliska Ga mērķu magnetrona konteinera dizaina izstrāde un uzstādīšana. Ir sākta izveidotā mērķa darbības testēšana. Ir iegūtas ar Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu audzēšanu saistītas praktiskas zināšanas par to struktūras, elektriskajām un optiskajām fizikālajām īpašībām. Pētījumu rezultātā sagatavots un iesniegts zinatniskais raksts “A comprehensive study of structure and properties of nanocrystalline zinc peroxide” (aktivitāte 1).

Veikta Plazmas optiskās emisijas spektroskopijas kanāla uzstāde un noskaņošana, identificētas Gallija spektrālās līnijas pārklājumu izgatavošanas  procesa vadībai (aktivitāte 1).

Tika veikta Aixtron (AIX-200RF) MOCVD sistēmas sagatavošana Ga2O3 un ZnGa2O4 kārtiņu uzklāšanai: jauna silīcija karbīda sildelementa izgatavošana un testēšana oksidējošā atmosfērā; Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu audzēšana ar MOCVD uz dažādas orientācijas safīra pamatnēm; jauna reaktora dizaina veidošana un rasēšana sadarbībā ar SIA BC Corporation Limited (aktivitāte 2).

Tika veikti leģētu Ga2O3 ab-initio aprēķini un materiālu atomu, elektronisko un svārstību īpašību, dažādu defektu konfigurāciju veidošanās enerģiju analīze. Nopublicēts raksts starptautiski citējamā žurnāla: LATVIAN JOURNAL OF PHYSICS AND TECHNICAL SCIENCES, Vol.  58, N 2 (2021), 3-11, “Ab-initio calculations of oxygen vacancy in Ga2O3 crystals” (aktivitāte 3).

Tika izsludināts atklāts iepirkums pamatņu, ķimikāliju un citu projekta īstenošanai nepieciešamo laboratorijas piederumu iegādei. Tika turpināta struktūras un morfoloģijas metožu (XRD, XPS, SEM, TEM) sagatavošana un testēšana Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu raksturošanai (aktivitāte 4).


PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.01.2021. - 31.03.2021.)

02.04.2021.

Projekta Nr.1.1.1.1/20/A/057 ietvaros tika uzsākta izputināšanas sistēmas sagatavošana izmantošanai reaktīva divu magnetronu DC, RF un HiPIMS vienlaicīgas izputināšanas konfigurācijā: vakuuma sistēmas, gāzu padeves sistēmas, parauga karsēšanas sistēmas, mērķa dzesēšanas un karsēšanas sistēmas sagatavošana un pārbaude, nepieciešamo barošanas avotu (DC, RF, HiPIMS) savienojumu izveide divu magnetronu konfigurācijai. Tika veikta metāliska Ga mērķu magnetrona konteineru dizaina izstrāde (aktivitāte 1).

Veikta cenu aptauja un izdarīts izputināšanas mērķu pasūtījums (aktivitāte 1).

Tika veikta Aixtron (AIX-200RF) MOCVD sistēmas sagatavošana Ga2O3 un ZnGa2O4 kārtiņu uzklāšanai: reaktora stabilitātes testēšana augstās temperatūrās, izmantojot oksidatīvu prekursoru; jauna reaktora dizaina veidošana un rasēšana sadarbībā ar SIA BC Corporation Limited; nepilnīgi funkcionējošu detaļu nomaiņa (aktivitāte 2).

Tika veikts pētījums un tika aprēķināta skābekļa vakuumu veidošanās enerģija un pārejas līmeņi β-Ga2O3 kristālā, izmantojot B3LYP hibrīda apmaiņas korelācijas funkcionalitāti LCAO-DFT pieejas ietvaros. Rezultātā tika sagatavota informācija rakstam “Ab-initio calculations of oxygen vacancy in Ga2O3 crystals” (aktivitāte 3).

Tika veikta struktūras un morfoloģijas metožu (XRD, XPS, SEM, TEM) sagatavošana un testēšana Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu raksturošanai (aktivitāte 4).