Механизм роста эпитаксиальных слоев Ga2O3 методом хлорид-гидридной эпитаксии на подложке SiC/Si (110)
Кукушкин С.А.
1, Осипов А.В.
2, Убыйвовк Е.В.
1,2, Осипова Е.В.
1, Шарофидинов Ш.Ш.
1Институт проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербург, Россия
2Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
![St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russia](/images/e16.png)
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com, andrey.v.osipov@gmail.com, ubyivovk@gmail.com, sh.shams@mail.ioffe.ru
Поступила в редакцию: 17 ноября 2024 г.
В окончательной редакции: 24 ноября 2024 г.
Принята к печати: 25 ноября 2024 г.
Выставление онлайн: 11 февраля 2025 г.
Исследуется механизмы роста эпитаксиальных пленок β-, ε- и α-фаз оксида галлия (Ga2O3) выращиваемых методом хлорид-гидридой эпитаксии (ХГЭ) на поверхности гибридных подложек SiC/Si, синтезированных методом согласованного замещения атомов (MCSA) на поверхности (110) подложек кремния. Рост слоев Ga2O3 протекал в широком диапазоне температур подложек от 550oC до 1050oC. Анализ микроструктуры осуществлялся при помощи рамановской спектроскопии и просвечивающей (трансмиссионной) микроскопии высокого разрешения (ПЭМ). Химический состав (распределение химических элементов) определялся при помощи рентгеновского спектрометра (EDS), который является приставкой к растровому электронному микроскопу (РЭМ). В результате проведенных исследований было обнаружено, что рост пленки Ga2O3 поверхности SiC/Si (110) происходит в две стадии. На первой стадии поверхность SiC/Si (110) обогащается углеродом и насыщается кремниевыми вакансиями в результате взаимодействия хлора, являющегося продуктом реакции хлорида галлия и кислорода, с поверхностью SiC/Si (110). Только после образования на поверхности SiC тонкого, толщиной порядка 1.5 nm слоя углерода начинается вторая стадия, а именно, начинается рост слоя Ga2O3. Рост Ga2O3 начинается с внедрения в слой углерода атомов кислорода, к которым затем присоединяются атомы галлия. После чего начинается рост объемного слоя Ga2O3. Поскольку реакция между хлором и SiC начинает заметно протекать только при температуре выше 700oC, то при более низких температурах на поверхности SiC не образуется слоя углерода, соответственно слои Ga2O3 не зарождаются. Высказано предположение о том, что для выращивания качественных пленок Ga2O3 поверхности SiC перед ростом необходимо модифицировать, покрывая их либо тонким слоем углерода, либо слоем графена. Ключевые слова: карбид кремния на кремнии, оксид галлия, α-, ε- и β-политипы Ga2O3, графен, наноструктуры углерода, механизмы роста.
- S.A. Kukushkin, A.V. Osipov. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 313001 (2014). DOI: 10.1088/0022-3727/47/31/313001
- С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, Н.А. Феоктистов. ФТТ 56, 8, 1457 (2014). DOI: 10.1134/S1063783414080137
- S.A. Kukushkin, A.V. Osipov. Inorg. Mater. 57, 13, 1319 (2021). DOI: 10.1134/S0020168521130021
- С.А. Кукушкин, А.В. Осипов. Журнал общей химии 92, 4, 547 (2022). DOI: 10.31857/S0044460X22040023 [S.A. Kukushkin, A.V. Osipov. Russ. J. Gen. Chem. 92, 4, 584 (2022). DOI: 10.1134/S1070363222040028]
- С.А. Кукушкин, А.В. Осипов. Конденсированные среды и межфазные границы 24, 4, 407 (2022). DOI: 10.17308/kcmf.2022.24/10549
- N.S. Jamwal, A. Kiani. Nanomaterials 12, 2061 (2022). URL: https://doi.org/10.3390/nano12122061
- S.J. Pearton, J. Yang, P.H. Cary, F. Ren, J. Kim, M.J. Tadjer, M.A. Mastro. Appl. Phys. Rev. 5, 1, 011301 (2018). URL: https://doi.org/10.1063/1.5006941
- S.I. Stepanov, V.I. Nikolaev, V.E. Bougrov, A.E. Romanov. Rev. Adv. Mater. Sci. 44, 63 (2016). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26987785
- С.А. Кукушкин, В.И. Николаев, А.В. Осипов, Е.В. Осипова, А.И. Печников, Н.А. Феоктистов. ФТТ 58, 9, 1812 (2016). [S.A. Kukushkin, V.I. Nikolaev, A.V. Osipov, E.V. Osipova, A.I. Pechnikov, N.A. Feoktistov. Epitaxial Gallium Oxide on a SiC/Si Substrate. Physics of the Solid State 58, 9, 1876 (2016). DOI: 10.1134/S1063783416090201]
- А.В. Осипов, Ш.Ш. Шарофидинов, А.В. Кремлева, А.М. Смирнов, Е.В. Осипова, А.В. Кандаков, С.А. Кукушкин. Конденсированные среды и межфазные границы 25, 4, 557 (2023). URL: http://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11479
- A.V. Osipov, Sh.Sh. Sharofidinov, E.V. Osipova, A.V. Kandakov, A.Y. Ivanov, S.A. Kukushin. Coatings. 1, 1802 (2022). URL: http://doi.org/10.3390/coatings12121802
- A.V. Osipov, A.S. Grashchenko, S.A. Kukushkin, V.I. Nikolaev, E.V. Osipova, A.I. Pechnikov, I.P. Soshnikov. Contin. Mech. Thermodyn. 30, 1 (2018). URL: https://doi.org/10.1007/s00161-018-0662-6
- А.С. Гращенко, С.А. Кукушкин, В.И. Николаев, А.В. Осипов, Е.В. Осипова, И.П. Сошников. ФТТ 60, 5, 851 (2018). DOI: 10.21883/FTT.2018.05.45776.321 [A.S. Grashchenko, S.A. Kukushkin, V.I. Nikolaev, A.V. Osipov, E.V. Osipova, I.P. Soshnikov. Physics of the Solid State 60, 5, 852 (2018). DOI: 10.1134/S1063783418050104]
- A.A. Koryakin, S.A. Kukushkin, A.V. Osipov, Sh.Sh. Sharofidinov, M.P. Shcheglov. Materials. 15, 6202 (2022). DOI: 10.3390/ma15186202
- Р.Н. Кютт, Э.А. Сморгонская, С.К. Гордеев, А.В. Гречинская, А.М. Данишевский. ФТТ 41, 8, 1484 (1999)
- С.К. Гордеев, С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, Ю.В. Павлов. ФТТ 42, 12, 2245 (2000)
- V.B. Kumar, M. Monte, O. Mathon, S. Pascarelli, Z. Porat, A. Gedanken. J. Am. Ceram. Soc. 100, 7, 3305 (2017). DOI: 10.1111/jace.14869
- С.А. Кукушкин, А.В. Осипов. УФН 168, 10, 1083 (1998). DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0168.199810b.1083
- Г.В. Бенеманская, П.А. Дементьев, С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, С.Н. Тимошнев. Письма в ЖТФ 45, 5, 17 (2019). DOI: 10.21883/PJTF.2019.05.47390.17621