Российские ученые впервые обнаружили новый эффект в полупроводниках
Ранее неизвестный эффект повышения концентрации носителей заряда в полупроводниках при исследовании оксида галлия открыли ученые ННГУ в составе научного коллектива. По словам авторов, новое знание важно для создания приборов следующего поколения для силовой электроники и других отраслей техники. Результаты научной работы представлены в Applied Physics Letters.«
"Сегодня полупроводниковые материалы являются неотъемлемой частью аналоговой и цифровой электроники. Они совершенно необходимы для многих отраслей промышленности", – рассказали эксперты Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского (ННГУ).
Как сообщила младший научный сотрудник Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ Алена Никольская, из-за постоянно растущих требований к рабочей мощности электронных устройств растет спрос на так называемые сверхширокозонные полупроводники.
«В физике полупроводников используется понятие «ширина запрещенной зоны». Именно она определяет электрические и оптические свойства материала. С ее увеличением возрастает значение пробивного напряжения, и, как следствие, максимальная рабочая мощность прибора. Наиболее интересным для практического применения служит оксид галлия β-Ga2O3, у которого ширина запрещенной зоны очень велика – около 5 эВ. Для сравнения: у кремния она около 1 эВ», – пояснила Никольская.
Исследователи ННГУ совместно с коллегами из Института физики микроструктур РАН, обнаружили, что при температурной обработке кристалла β-Ga2O3, в который путем ионного внедрения (ионной имплантации) добавлены атомы кремния, наблюдается аномально большой рост количества электронов, который превышает количество атомов кремния.
По словам Никольской, внедрение атомов примеси используется для управления электрическими свойствами полупроводников. В традиционных технологиях примеси обычно внедряют с помощью ионной имплантации (облучение с последующим отжигом).
Старший научный сотрудник НИФТИ ННГУ Давуд Гусейнов загружает мишень с образцами в ионный имплантер (ИЛУ-200)
«Мы установили, что при температуре отжига 800°C происходит почти полная активация примеси кремния в кристалле β-Ga2O3, то есть, количество добавленных электронов проводимости становится практически равным числу внедренных атомов кремния. При дальнейшем повышении температуры отжига концентрация электронов продолжает расти. Мы предполагаем, что во время отжига в кристалле образуются дефектные центры (группы атомов), которые дают «лишние» электроны», – рассказала она.
По словам ученой, коллективу удалось не только достичь достаточной для создания электрических приборов концентрации электронов, но и превысить ее за счет специфики процессов, происходящих при имплантации. Ранее такого эффекта нигде в мире не наблюдалось.
Авторы исследования предполагают, что полученные фундаментальные знания послужат отправной точкой при создании приборов нового поколения для силовой электроники, фотодетекторов глубокого ультрафиолетового излучения и других применений.
«Перед нашей командой стоит задача мирового уровня – установить возможность получения в кристалле β-Ga2O3 проводимости p-типа («дырочной»). Еще никому в мире не удалось получить стабильный, воспроизводимый результат по получению Ga2O3 p-типа», – поделилась Никольская.
Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 23-79-00052) и Министерством науки и высшего образования Российской Федерации. ННГУ – участник программы государственной поддержки университетов РФ «Приоритет-2030» национального проекта «Наука и университеты».