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

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.