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

30.11.2021.

Pēc tam, kad iepriekšējie absorbcijas un emisijas spektroskopijas rezultāti pie istabas temperatūras parādīja iespējamību audzēt gan divkāršo (ZnO), gan trīskāršo (ZnMgO) savienojumu plānās kārtiņas uz kausēta kvarca pamatnes izmantojot ātrās un liela laukuma magnetronu izsmidzināšanas augšanas paņēmienu, kļuva nepieciešams veikt padziļinātu optisko raksturojumu, lai pārbaudītu optisko un strukturālo īpašību konsekvenci laikā un dažādās temperatūrās. Patiešām, ir labi zināms, ka kristāla temperatūras pazemināšana veicina optisko iznākumu, jo samazinās fononu ietekme. Tāpat, pazeminoties kristāla temperatūrai, samazinās režģa parametri un rezultātā palielinās aizliegtās zonas enerģija - šī ir tipiska parādība pusvadītājos. Turklāt literatūrā bieži tiek ziņots par Zn(Mg)O plāno kārtiņu novecošanas problēmu, kad laika posmā no nedēļām līdz mēnešiem pēc plāno kārtiņu audzēšanas tiek novērotas nozīmīgas strukturālas izmaiņas.

Paturot to prātā, mēs nolēmām atvēlēt saprātīgu laiku (3 mēnešus), lai padziļināti pētītu uz kausēta kvarca pamatnes audzētu Zn(Mg)O plānu kārtiņu, izmantojot fotoluminiscenci (PL) pie mainīgām temperatūrām un ierosmes enerģijām. Veicot pētījumus pie temperatūrām (3-300 K) un ierosmes jaudām (80-700 kW/cm2), tika noteikta optimālā izsmidzināšanas temperatūra (750 ⁰C) binārā savienojuma ZnO paraugiem M22, M23 un M24, kas audzēti attiecīgi pie temperatūrām 550, 400 un 750 ⁰C. Jāatzīmē, ka ZnO tika novērota viena ievērojamā josla, kas atbilst eksitona pārejai, kas pat pie paaugstinātas temperatūras (> 200 K) dominēja pār pāreju, kas saistīta ar piemaisījumu (donoru). Jāatzīmē, ka labākajam paraugam netika novērota zaļa un dzeltena defektu josla, kas liecina par stabili labu strukturālo un optisko kvalitāti. Turklāt, pazeminoties augšanas temperatūrai, eksitona josla stipri samazinājās (paraugam, kas audzēts pie T=550 ⁰C) vai pavisam izzuda no spektra (paraugam, kas audzēts pie temperatūras 400 ⁰C).

Trīskāršā savienojuma ZnMgO paraugiem M33-M38, kas audzēti pie temperatūras T=500 ⁰C, lielāks parauga numurs liecina par lielāku Mg saturu. Proti, izmantojot rentgena fotoelektronu spektroskopiju (XPS), tika atrasts atbilstošs saturs (x vērtības) Zn1-xMgxO paraugu kopai: 27% (paraugs M33), 25% (paraugs M34), 30% (paraugs M35), 22% (paraugs M36), 47% (paraugs M37), 48% (paraugs M38).

Zemāk tiek īsi aprakstīti PL eksperimenti paraugiem M33-M38. M33 paraugam zemas temperatūras starpzonu optiskā pāreja ZnMgO slānī tika reģistrēta pie aptuveni 3,6 eV, to pavadīja spēcīga zaļa un dzeltena defektu luminiscence, bet palielinot temperatūru >160 K, notika fononu izraisīta emisijas renormalizācija, kā rezultātā par dominējošo kļuva ar piemaisījumiem saistīta emisija no ZnO. Tas skaidri liecina par bināro ZnO domēnu esamību. Lai atrisinātu šo problēmu (lai nomāktu ZnO joslu), augšanas kamerā tika samazināts bāzes spiediens (no 8 līdz 3 uTorrs). Par optiskā iznākumu uzlabošanu liecina parauga M34 luminiscence, kas ir atkarīga no temperatūras. (ZnO defektu josla tika novērota tikai > 260 K). Paraugam M35 pie zemas temperatūras izdevās noteikt dominējošās (un vissvarīgākās) luminiscences joslas zilo nobīdi līdz E = 3, 658 eV.
Tālāk, izņemot paraugu M36 (kuram tika noteikta tikai ZnO eksitona un ar donoru saistītā luminiscence lielā ZnO satura dēļ - 78%), paraugam M37 tika novērota luminiscence ar zilu nobīdi pie E = 3,974 eV ar tikai nelielām ZnO luminiscences pazīmēm (ar piemaisījumiem saistītā ZnO josla un dziļu defektu josla). Visbeidzot, paraugam M38 ZnMgO luminiscences joslas intensitāte pieaug vēl vairāk (par 50%) un ZnO pazīmes pazūd. Tas apstiprina metodi, kā palielināt MgO saturu ZnMgO sakausējumā ar labu strukturālo un optisko kvalitāti.

Ir vērts atzīmēt, ka ZnNiMgO kvartāra savienojumam (kas nebija solīts šajā projektā, bet pētīts, lai apmierinātu dziļu interesi par šādu jaunu materiālu) netika atrasti skaidri pierādījumi par starpzonu pāreju ZnMgNiO slānī, iespējams, pašreizējās optiskās iekārtas ierobežojumu dēļ (nepieciešams īsāka viļņa garuma ierosmes avots un ar to saistītais nogriešanas filtrs). Šīs problēmas tiks tālāk risinātas ar Projekta atbalstu.


03.09.2021.

Saskaņā ar projekta plānu, optiskās spektroskopijas metodes tiek izmantotas, lai pētītu divkāršo (ZnO) un trīskāršo (ZnMgO) savienojumu plānu kārtiņu kopu, kas audzēti ar magnetronu izsmidzināšanu Plāno kārtiņu laboratorijā, ISSP UL, Latvija. Izmantotās spektroskopiskās metodes bija optiskās absorbcijas un fotoluminiscences spektroskopijas metodes --- abas tika veiktas istabas temperatūrā. Izmantojot labi izstrādāto Tauc metodi, lai pārbaudītu optiskās aizliegtās zonas enerģētisko vērtību tiešās aizliegtās zonas pusvadītājam ZnO, tika iegūta saprātīga aizliegtās zonas enerģijas vērtība pie Eg = 3,3 eV visiem pētītajiem paraugiem (audzēti uz kausēta kvarca substrāta).

Tomēr trīskāršam ZnMgO sakausējumam aizliegtās zonas enerģijas noteikšana bija sarežģīta, jo absorbcijas spektros bija redzama t.s. Urbaha aste. To, visticamāk, var izskaidrot ar ZnMgO plāno kārtiņu nestehiometriskās struktūras un/vai jauktās fāzes veidošanos. Absorbcijas eksperimentu optiskie dati tika papildināti ar fotoluminiscences (PL) rezultātiem.

Tika konstatēts, ka istabas temperatūras PL iznākums atbilst XRD līniju intensitātei, kas iepriekš novērota ZnO plānām kārtiņām. Gadījumā, ja tika izmantota augsta augšanas temperatūra 750 ⁰C (tiek pētīts 400-750 ⁰C temperatūras intervāls), PL luminiscence uzrādīja asu eksitona joslu, un mazu/as defektu joslu(-as), apstiprinot šādas plānas kārtiņas labu strukturālo un optisko kvalitāti. Tomēr ZnMgO savienojuma paraugu kopai PL joslas neizskatās pēc eksitona joslām.

Bet, palielinoties Mg saturam, parādījās jauna augstas enerģijas luminiscences josla, kas tika saistīta ar starpzonu pāreju vurtcita ZnMgO epislānī, vienlaicīgi joprojām bija ievērojama spēcīga un plaša josla aptuveni 400 nm (nedaudz virs 3 eV), ko saista ar piemaisījumu luminiscenci ZnO vidē. Atšķirīga situācija parādījās tikai ZnMgO paraugiem ar augstu MgO saturu, kur dominēja josla ap 320 nm (3, 8 eV), kas tika attiecināta uz ZnMgO starpzonu luminiscenci. Ņemot vērā līdzīgus optiskos spektroskopiskos datus, kas iegūti jaunam Mg (Zn) NiO materiālam (spēcīga un neatkarīga joslas nobīde no ZnO raksturīgas joslas), mudina mūs turpināt darbu pie sensora ierīces ieviešanas.


08.06.2021.

Ikgadējais publiskais pasākums “Zinātnieku nakts” notika 2021. gada 30. aprīlī  kā attālināta konference / sesija tiešsaistē (https://www.zinatniekunakts2021.lv). Postera prezentācija “Cinka magnija oksīda platzonu pusvadītājs perspektīviem ultravioletās gaismas pielietojumiem”  tika sagatavota un augšupielādēta tiešsaistes platformā, kur apspriedes sesijas laikā tā bija pieejama sabiedrībai.

Saskaņā ar projekta plānu ZnMgO plāno kārtiņu izgatavošana, izmantojot magnetronu izsmidzināšanu, tika veikta LU CFI Plāno kārtiņu laboratorijā, Latvijā. Lai kalibrētu ZnMgO plāno kārtiņu augšanas parametrus, tika veikta ZnO plāno kārtiņu sākotnējā audzēšana uz nātrija kaļķu un kausēta kvarca pamatnēm. Pateicoties ievērojami labākai plāno kārtiņu struktūras kvalitātei kvarca pamatnes gadījumā, ZnMgO plānās kārtiņas tika realizētas ar vairāku sastāvdaļu izsmidzināšanu. Turklāt tika iegūts jauns alternatīvs Mg(Zn)NiO plāno kārtiņu materiāls, lai salīdzinātu tā strukturālās un optiskās īpašības ar ZnMgO īpašībām. Tik tiešām, ir zināms, ka ZnMgO ir raksturīga divfāžu līdzāspastāvēšana, savukārt tiek uzskatīts, ka MgNiO pārvar šo problēmu, jo MgO un NiO binārie savienojumi ir strukturāli līdzīgi.
Patlaban LU CFI Spektroskopijas laboratorijā, Latvijā, tiek veikti rentgenstaru difrakcijas, enerģiju disperģējošās rentgenstaru spektroskopijas, skenējošās elektronmikroskopijas strukturas mērījumi. Vienlaikus tiek apkopoti gan LU CFI (Latvija), gan FTMC (Lietuva) optiskās absorbcijas, spektroskopiskās elipsometrijas un no temperatūras atkarīgas fotoluminiscences dati.


10.03.2021.

Saskaņā ar projekta plānu bija plānota darbības (i) platzonu pusvadītāju izgatavošanas tehnoloģiju pārnese no NSYSU (Taivāna) uz LU  CFI (Latvija) apmācības ceļā,  un (ii) Zn (Mg) O un Ga2O3 plāno kārtu epitaksiālā audzēšana. Attiecībā uz i) apakšpunktu alternatīvās mobilitātes darbības / apmācības tika īstenotas lielākajā zinātnisko pētījumu centrā FTMC Viļņā, Lietuvā, savukārt (ii) apakšpunktam tika veikts padziļināts literatūras pētījums un ZnO un MgO materiālu testēšana.

Sakarā ar ierobežoto plānoto laiku tīrtelpu apmācībai un iepriekšējām ārzemju praksēm Viļņā, Lietuvā, tīrtelpu licence LU CFI tika daļēji iegūta 2020. gada 17. novembrī un sākot ar 19.11.2120. sākās ārzemju mobilitātes prakse FTMC (ilgums: 1 mēnesis).

FTMC komandējuma galvenais mērķis bija iegūt dziļākas zināšanas par magnetronu izsmidzināšanas tehniku ​​oksīdu plāno kārtiņu iegūšanai un metāla kontaktu nogulsnēšanai. Šī ir viena no divām galvenajām metodēm, ko izmanto oksīdu (ZnMgO un Ga2O3) plāno kārtiņu sintezēšanai un metāla kontaktu uznešanai aktuālajiem sensoru ierīcēm LU CFI, Latvijā. Apmācībai tika izmantota Angstrom Engineering EvoVac izsmidzināšanas ierīce FTMC. Tika pētīti dažādi darbības režīmi (RF, DC un HiPIMS). Tika veikta 10-100 nm ultraplāna metalizācija ar Ni uz audzētā kristāliskā Si (100), kas audzēts ar Čohralska metodi,  kam sekoja virsmas apstrādes procedūra ar HF:H2O2:H2O ķīmisko kodināšanu. Turklāt ultraplānie (līdz 10 nm) oksīda (TiO2) slāņi uz Si substrāta tika audzēti, izmantojot dažādas pamatnes  temperatūras.

Ņemot vērā pandēmijas covid-19 situāciju, tika nolemts 2021. gada sākuma projekta īstenošanas darbus vērst uz padziļināto literatūras pētījumu, īpašu uzmanību veltot  Zn(Mg)O materiālam. 17. februārī tiešsaistes LU CFI semināra tika nolasīts seminārs “ZnMgO plānās kārtiņas tālās ultravioletās gaismas pielietojumiem: strukturāla un optiska pieeja”. Sīkāka informācija par prezentāciju atrodama: https://www.cfi.lu.lv/lv/events/issp-ul-workshops/2020/2021/february-17-ramunas-nedzinskas/

Pašlaik LU CFI Plāno kārtiņu laboratorijā pēc bināro oksīdu ZnO, MgO testa fāzes veikšanas tiek izsmidzinātas plānas ZnO un MgO plēves, lai pārbaudītu lādiņu nesēju koncentrācijas un vadāmības tipa stabilitātes atkarību no dažādiem izmantotajiem piemaisījumiem.


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.