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 01.04.2022.- 30.06.2022.)

30.06.2022

Tika turpināta ZnGa2O4 plāno kārtiņu liela ātruma uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde, vienlaicīgi izputinot šķidru gallija mērķi un cinka mērķi reaktīvā līdzstrāvas režīmā. Tika variēti procesa parametri, lai atstrādātu tehnoloģiju augsti caurspīdīgu kārtiņu iegūšanu ar dažādu Zn:Ga attiecību un dažādu kristāliskuma pakāpi. Iegūtais kārtiņu izgatavošanas ātrums būtiski pārsniedz literatūras un arī šajā projektā iegūtos ātrumus, kārtiņas izgatavojot kārtiņas RF režīmā. Tika turpināta arī kārtiņu izgatavošanas procesa noskaņošana, izputinot ZnGa2O4 mērķi RF režīmā. Tika pabeigta publikācijas sagatavošana par Ga2O3 kārtiņu izgatavošanu un īpašībām. (Aktivitāte 1).

Tika uzsākts eksperimentālais darbs, lai noskaidrotu ZnGa2O4 augšanas parametrus esošajai MOCVD iekārtai. Veikti vairāki eksperimenti, lai noteiktu Zn un Ga prekursoru attiecību, kā arī veikti vairāki eksperimenti, lai noteiktu ZnGa2O4 plānās kārtiņas augšanas temperatūru. (Aktivitāte 2).

Tika veikta dažādos apstākļos izgatavoto ZnGaxO4 kārtiņu raksturošana ar optiskās spektroskopijas, rentgena difrakcijas, elipsometrijas, rentgena fotoelektronu spektroskopijas, optiskās mikroskopijas un Ramana spektroskopijas palīdzību. Tika veikta datu apkopošana, rezultāti tika izmantoti par atgriezenisko saiti izgatavošanas procesa pielāgošanai Aktivitātē 1. Komandējuma laikā tika veikti atomspēku mikroskopijas (AFM) mērījumi Ga2O3 plānām kārtiņām Tartu Universitātē pieejamā iekārtā. AFM mērījumi bija nepieciešami, lai izprastu iegūto plāno kārtiņu virsmas morfoloģiju un pielāgotu to uzklāšanas parametrus pēc iespējas gludākas virsmas iegūšanai. (Aktivitāte 4).


PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.01.2022.- 31.03.2022.)

04.04.2022.

Tika turpināta Ga2O3 plāno kārtiņu izgatavošana, izputinot šķidru gallija mērķi reaktīvā līdzstrāvas režīmā un Ga2O3 mērķi RF režīmā. Tika atklāts, ka nepieciešamās kārtiņu stehiometrijas nodrošināšanai arī Ga2O3 mērķa izputināšana jāveic reaktīvā procesā. Tika uzsākta ZnGa2O4 plāno kārtiņu liela ātruma uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde, vienlaicīgi izputinot šķidru gallija mērķi un cinka mērķi reaktīvā līdzstrāvas režīmā. Tika atrasts procesa parametru kopums augsti caurspīdīgu kārtiņu izgatavošanai. Tika uzsākta arī kārtiņu izgatavošana, izputinot ZnGa2O4 mērķi RF režīmā (Aktivitāte 1). Iesniegts patenta pieteikums par Reaktīvas magnetrona izsmidzināšanas metode gallija oksīda plānu kārtiņu izgatavošanai ar nr. LVP2021000105. (Aktivitāte 1)

Tika turpināta Ga2O3 plānu kārtiņu audzēšanas MOCVD iekārtā optimizācija. Tika turpināts izstrādāt procesu augsttemperatūras buferslāņa iegūšanai, lai iegūtu augstāku Ga2O3 plānu kārtiņu kristalizācijas pakāpi. Turpināta Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu audzēšana ar MOCVD uz dažādas orientācijas safīra pamatnēm un turpināta Ga2O3 un ZnGa2O4 plāno kārtiņu uzklāšana uz c-plaknes safīra pamatnēm. Tika veikta Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu audzēšana ar PLD uz dažādas orientācijas safīra pamatnēm un izaudzēto plāno kārtiņu padziļināta struktūras un morfoloģijas pētīšana. (Aktivitāte 2)

Tika veikti Ab-initio DFT aprēķini ZnO2 materiāliem. Tika pārbaudītas DFT funkcijas un Gausa tipa funkciju bāzes kopums atomu orbitāļu lineārās kombinācijas (LCAO) aproksimācijā un šie rezultāti salīdzināti ar eksperimentālajiem datiem un plaknes viļņu aprēķiniem. Pēc veiktajiem aprēķiniem un iegūtajiem rezultātiem tiek gatavots zinatniskais raksts "Zinc peroxide from the first principles". (Aktivitāte 3)

Tika veikta dažādos apstākļos izgatavoto Ga2O3 un ZnGa2O4 kārtiņu raksturošana ar optiskās spektroskopijas, rentgena difrakcijas un Ramana spektroskopijas palīdzību. Augstas izšķiršanas spējas rentgena difrakcijas analīze (veikta sadarbībā ar partneriem no Angstrēma laboratorijas, Uppsala, Zviedrija) uzrādīja, ka augstā temperatūrā izgatavotās Ga2O3 kārtiņas uz safīra pamatnes ir epitaksiālas. Ga2O3 kārtiņu sastāva analīze ar ERDA (sadarbībā ar KTH, Stokholma, Zviedrija) un XPS uzrādīja, ka kārtiņas ir tīras no piemaisījumiem. Kārtiņu morfoloģija tika analizēta ar elektronu mikroskopijas palīdzību (Aktivitāte 4).

Tika uzsākta publikācijas sagatavošana par Ga2O3 kārtiņu izgatavošanu un īpašībām.

Tika uzsākti padziļināti augstas izšķirtspējas rentgendifrakcijas mērījumi kristāliskām Ga2O3 plānām kārtiņām, lai noteiktu to monokristāliskuma pakāpi un epitaksiālo orientāciju pret safīra pamatnēm. (Aktivitāte 4)


PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.10.2021. - 31.12.2021.)

11.01.2022.

Tika turpināta Ga2O3 plāno kārtiņu liela ātruma uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde, un veikta paraugu izgatavošanas procesa parametru optimizācija izputinot šķidru gallija mērķi reaktīvā līdzstrāvas režīmā. Tika izgatavotas amorfu un kristālisku paraugu sērijas uz kvarca un safīra pamatnēm temperatūru intervālā no istabas līdz 800oC. Tika veikta Ga2O3 plāno kārtiņu izgatavošana, izputinot Ga2O3 mērķi RF režīmā. Tika sagatavots un iesniegts LV patenta pieteikums par Ga2O3 plāno kārtiņu uzklāšanas tehnoloģiju, izputinot šķidru gallija mērķi reaktīvā līdzstrāvas režīmā. (Aktivitāte 1)

Tiek turpināts optimizēt Ga2O3 plānu kārtiņu audzēšanu MOCVD iekārtā, vienlaicīgi kombinējot H2O un O2 prekursoru gāzes. Lai iegūtu augstāku kristalizācijas pakāpi, tiek izstrādāts process augsttemperatūras buferslāņa iegūšanai. Tiek veikta izaudzēto plāno kārtiņu padziļināta struktūras un morfoloģijas pētīšana. (Aktivitāte 2)

Ab-initio DFT aprēķini tika izmantoti, lai pētītu skābekļa un gallija vakanču elektronisko struktūru monoklīnā β-Ga2O3 tilpuma kristālos. Hibrīda apmaiņas-korelācijas funkcionālis B3LYP blīvuma funkcionāļu teorijas un superšūnu pieejas ietvaros tika veiksmīgi izmantots, lai modelētu izolētus punktveida defektus β-Ga2O3. Aprēķini paredz, ka skābekļa vakance β-Ga2O3 ir dziļš donora defekts, kas nevar būt efektīvs elektronu avots un tādējādi nav atbildīgs par n-tipa vadītspēju β-Ga2O3. Visu veidu gallija vakanču uzlādes stāvokļi ir pietiekami dziļi akceptori, tomēr augstās veidošanās enerģijas dēļ tos nevar uzskatīt par p-tipa vadītspējas avotu β-Ga2O3. Rezultātā nopublicēts zinātnisks raksts “Vacancy Defects in Ga2O3: First-Principles Calculations of Electronic Structure” starptautiski citējamā žurnālā Materials. (Aktivitāte 3)

Tika pētīti un apkopoti dažādos apstākļos izgatavoto Ga2O3 pārklājumu optiskās caurlaidības, atstarošanās un absorbcijas spektri, rentgena difrakcijas un Ramana spektroskopijas dati. (Aktivitāte 4)

Publikācija:

Usseinov, Abay; Koishybayeva, Zhanymgul; Platonenko, Alexander; Pankratov, Vladimir; Suchikova, Yana; Akilbekov, Abdirash; Zdorovets, Maxim; Purans, Juris; Popov, Anatoli. Vacancy Defects in Ga2O3: First-Principles Calculations of Electronic Structure. Materials. 14, 7384 (2021); DOI:10.3390/ma14237384

 

PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.07.2021. - 30.09.2021.)

11.10.2021.

Projekta ietvaros uzsākta Ga2O3 plāno kārtiņu liela ātruma uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde, un veikta paraugu sērijas izgatavošana un raksturošana. Tika pētīti un apkopoti Ga2O3 pārklājuma optiskās caurlaidības, atstarošanās un absorbcijas spektri, rentgena difrakcijas dati un īpašības dažādās temperatūrās. (Aktivitāte 1).

Veikta cenu aptauja un izdarīts izputināšanas mērķu iepirkums (Aktivitāte 1).

Tika pabeigta Aixtron (AIX-200RF) MOCVD sistēmas sagatavošana Ga2O3 un ZnGa2O4 kārtiņu uzklāšanai, un uzsākta tehniskās atskaites sagatavošana. Ir sākts darbs pie Ga2O3 plānu kārtiņu audzēšanas uz c-plaknes safīra, izmantojot H2O kā skābekļa avotu. Tiek turpināta jauna reaktora dizaina veidošana un rasēšana sadarbībā ar SIA BC Corporation Limited - tiek veikta kameras dzesējama korpusa, sildāmās pamatnes un rotācijas mehānisma rasēšana. MOCVD iekārtai ir uzstādīts O2 gāzes prekursors, kas paralēli ar H2O tiek izmantots Ga2O3 plāno kārtiņu sintēzes eksperimentiem. Tiek veikta izaudzēto plāno kārtiņu padziļināta struktūras un sastāva pētīšana. (Aktivitāte 2).

Hidrotermālā procesā tika sintezēts un visaptveroši pētīts nanokristālisks cinka peroksīds (nano-ZnO2), izmantojot vairākas eksperimentālas metodes. Tās kristāliskā struktūra tika raksturota izmantojot rentgena difrakciju. No temperatūras atkarīgā vietējā vide ap cinka atomiem tika rekonstruēta, izmantojot reverso Montekarlo (RMC) analīzi. Nano-ZnO2 režģa dinamika tika pētīta ar infrasarkano un Ramana spektroskopiju. Iegūtos eksperimentālos rezultātus apstiprināja pirmā principa blīvuma funkcionāļa teorijas (DFT) aprēķini.  Rezultātā zinātnisks raksts "A comprehensive study of structure and properties of nanocrystalline zinc peroxide" tika sagatavots un nopublicēts žurnālā Journal of Physics and Chemistry of Solids. (Aktivitāte 3).

Tika pabeigta struktūras un morfoloģijas metožu (XRD, XPS, SEM, TEM) sagatavošana un testēšana Ga2O3 un ZnGa2O4 plānu kārtiņu raksturošanai, un uzsākta tehniskās atskaites sagatavošana. Tika uzsākta ar magnetrona izputināšanu un MOCVD iegūtu Ga2O3 plānu kārtiņu raksturošana uzklāšanas procesu izpratnei un optimizācijai. (Aktivitāte 4).

Iegūtie rezultāti tika prezentēti European Materials Research Society (E-MRS) 2021 Fall Meeting konferencē ar stenda referātu "Growth of gallium oxide based core-shell nanowire heterostructures". (Aktivitāte 4).

Raksts:

A comprehensive study of structure and properties of nanocrystalline zinc peroxide
Bocharov D., Chesnokov A., Chikvaidze G., Gabrusenoks J., Ignatans R., Kalendarev R., Krack M., Kundzins K., Kuzmin A., Mironova-Ulmane N., Pudza I., Puust L., Sildos I., Vasil'chenko E., Zubkins M., Purans J.
Journal of Physics and Chemistry of Solids, Volume 160, January 2022, 110318
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2021.110318 


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).