Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Исследование сопротивления механической деформации эпитаксиальных слоев α-Ga2O3 методом наноиндентирования

https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-7-16

Полный текст:

Аннотация

Оксид галлия (Ga2O3) – широкозонный полупроводниковый материал, обладающий шириной запрещенной зоны Eg=4,8–5,0 эВ, высокой проводимостью (λ~10,9–27,0 Вт/(м·К)), радиационной и химической стойкостью. Ширина его запрещенной зоны и проводимость позволяют в перспективе использовать его в конструкциях силовых приборов и оптоэлектронных устройств, чтобы увеличить их энергоэффективность, т. е. уменьшить нагрев и увеличить производительность. Радиационная стойкость, высокое поле пробоя, асимметрия оптических свойств Ga2O3 делают перспективным его использование при проектировании УФ-фотоприемников и космической техники. Электрические и оптические свойства Ga2O3 изучены  достаточно полно, систематические же данные о его физико-механических свойствах (твердость, модуль Юнга, трещиностойкость) отсутствуют. В работе исследована деформация в эпитаксиальных слоях α-Ga2O3 при наноиндентировании. Для индентирования использовался твердомер NanoTest (Micro Materials Ltd.). Исследовалась поверхность (0001) кристаллических слоев α-Ga2O3, полученных в процессе хлоридной газовой эпитаксии на сапфировые (Al2O3) подложки базисной (0001) ориентации. Впервые экспериментально получены значения твердости и модуля Юнга α-Ga2O3 с использованием метода Оливера – Фарра. В зависимостях нагрузки на индентор от глубины его проникновения наблюдалось отклонение от линейного хода, в том числе релаксация напряжений, связанная с “pop-in” эффектом. Средние значения нанотвердости H и модуля Юнга E α-Ga2O3 составили 17 и 281 ГПа соответственно. Полученные значения H и E демонстрируют более высокие характеристики по сравнению с изученными ранее эпитаксиальными слоями β-Ga2O3. Это различие можно объяснить более плотной упаковкой структуры α-Ga2O3 (тип корунд), чем у моноклинного β-Ga2O3. Обнаружено, что α-Ga2O3 по своим механическим свойствам превосходит большинство полупроводниковых материалов, уступая лишь нитриду галлия (GaN) и сапфиру (Al2O3).

Об авторах

Любовь Игоревна Гузилова
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург (Россия)
Россия

исполняющий обязанности младшего научного сотрудника



Александр Сергеевич Гращенко
Институт проблем машиноведения Российской академии наук, Санкт-Петербург (Россия)
Россия

младший научный сотрудник



Владимир Иванович Николаев
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург (Россия)
Россия

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, ведущий научный сотрудник



Список литературы

1. Pearton S.J., Yang J.C., Cary P.H., Ren F., Kim J., Tadjer M.J., Mastro M.A. A review of Ga2O3 materials, processing, and devices // Applied Physics Review. 2018. Vol. 5. № 1. Article number 011301. DOI: 10.1063/1.5006941.

2. Nikolaev V.I., Stepanov S.I., Romanov A.E., Bougrov V.E. Gallium oxide // Single Crystals of Electronics Materials. Growth and Properties. 2019. P. 487–521. DOI: 10.1016/B978-0-08-102096-8.00014-8.

3. Hasan M.N., Swinnich E., Seo J.-H. Recent Progress in Gallium Oxide and Diamond Based High Power and High-Frequency Electronics // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2019. Vol. 28. № 01n02. Article number 1940004. DOI: 10.1142/9789811216480_0004.

4. Zhang H.P., Yuan L., Tang X.Y., Hu J.C., Sun J.W., Zhang Y.M., Zhang Y.M., Jia R.X. Progress of Ultra-Wide Bandgap Ga2O3 Semiconductor Materials in Power MOSFETs // IEEE Transactions on Power Electronics. 2020. Vol. 35. № 5. P. 5157–5179. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2946367.

5. Guo D., Guo Q., Chen Z., Wu Z., Li P., Tang W. Review of Ga2O3-based optoelectronic devices // Materials Today Physics. 2019. Vol. 11. Article number 100157. DOI: 10.1016/j.mtphys.2019.100157.

6. Chen X.H., Ren F.F., Ye J.D., Gu S.L. Gallium oxide-based solar-blind ultraviolet photodetectors // Semiconductor Science and Technology. 2020. Vol. 35. № 2. Article number 023001. DOI: 10.1088/1361-6641/ab6102.

7. Kaur D., Kumar M. A Strategic Review on Gallium Oxide Based Deep-Ultraviolet Photodetectors: Recent Progress and Future Prospects // Advanced optical materials. 2021. Vol. 9. № 9. Article number 2002160. DOI: 10.1002/adom.202002160.

8. Bauman D.A., Borodkin A.I., Petrenko A.A., Panov D.I., Kremleva A.V., Spiridonov V.A., Zakgeim D.A., Silnikov M.V., Odnoblyudov M.A., Romanov A.E., Bougrov V.E. On improving the radiation resistance of gallium oxide for space applications // Acta Astronautica. 2021. Vol. 180. P. 125–129. DOI: 10.1016/j.actaastro.2020.12.010.

9. Roy R., Hill V.G., Osborn E.F. Polymorphism of Ga2O3 and the System Ga2O3-H2O // Journal of the American Chemical Society. 1952. Vol. 74. № 3. P. 719–722. DOI: 10.1021/ja01123a039.

10. Hazdra P., Popelka S. Radiation resistance of wide-bandgap semiconductor power transistors // Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science. 2017. Vol. 214. № 4. Article number 1600447. DOI: 10.1002/pssa.201600447.

11. Lee S.-D., Akaiwa K., Fujita S. Thermal stability of single crystalline alpha gallium oxide films on sapphire substrates // Physica status solidi C: current topics in solid state physics. 2013. Vol. 10. № 11. P. 1592–1595. DOI: 10.1002/pssc.201300259.

12. Lipinska-Kalita K.E., Kalita P.E., Hemmers O.A., Hartmann T. Equation of state of gallium oxide to 70 GPa: Comparison of quasihydrostatic and nonhydrostatic compression // Physical Review B. 2008. Vol. 77. № 9. Article number 094123. DOI: 10.1103/PhysRevB.77.094123.

13. Furthmuller J., Bechstedt F. Quasiparticle bands and spectra of Ga2O3 polymorphs // Physical Review B. 2016. Vol. 93. № 11. Article number 115204. DOI: 10.1103/PhysRevB.93.115204.

14. Wu Y.Q., Gao S., Huang H. The deformation pattern of single crystal β-Ga2O3 under nanoindentation // Materials Science in Semiconductor Processing. 2017. Vol. 71. P. 321–325. DOI: 10.1016/j.mssp.2017.08.019.

15. Wu Y.Q., Gao S., Kang R.K., Huang H. Deformation patterns and fracture stress of beta-phase gallium oxide single crystal obtained using compression of micro-pillars // Journal of Materials Science. 2019. Vol. 54. № 3. P. 1958–1966. DOI: 10.1007/s10853-018-2978-9.

16. Nakai K., Nagai T., Noami K., Futagi T. Characterization of defects in β-Ga2O3 single crystals // Japanese journal of applied physic. 2015. Vol. 54. № 5. Article number 051103. DOI: 10.7567/JJAP.54.051103.

17. Ueda O., Ikenaga N., Koshi K., Iizuka K., Kuramata A., Hanada K., Moribayashi T., Yamakoshi S., Kasu M. Structural evaluation of defects in β-Ga2O3 single crystals grown by edge-defined film-fed growth process // Japanese journal of applied physic. 2016. Vol. 55. № 12. Article number 1202B. DOI: 10.7567/JJAP.55.1202BD.

18. Mu W.X., Jia Z.T., Yin Y.R., Hu Q.Q., Li Y., Wu B.Y., Zhang J., Tao X.T. High quality crystal growth and anisotropic physical characterization of β-Ga2O3 single crystals grown by EFG method // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 714. P. 453–458. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.04.185.

19. Grashchenko A.S., Kukushkin S.A., Nikolaev V.I., Osipov A.V., Osipova E.V., Soshnikov I.P. Study of the Anisotropic Elastoplastic Properties of β-Ga2O3 Films Synthesized on SiC/Si Substrates // Physics of the Solid State. 2018. Vol. 60. № 5. P. 852–857. DOI: 10.1134/S1063783418050104.

20. Гузилова Л.И., Гращенко А.С., Печников А.И., Маслов В.Н., Завьялов Д.В., Абдрахманов В.Л., Романов А.Е., Николаев В.И. Исследование эпитаксиальных слоёв и монокристаллов β-Ga2O3 методом наноиндентирования // Физика и механика материалов. 2016. Т. 29. № 2. С. 166–171.

21. Víllora E.G., Arjoca S., Shimamura K., Inomata D., Aoki K. β-Ga2O3 and single-crystal phosphors for high-brightness white LEDs and LDs, and β-Ga2O3 potential for next generation of power devices // Oxide-based materials and devices V: Proceedings of SPIE. 2014. Vol. 8987. Article number 89871U. DOI: 10.1117/12.2039305.

22. Pechnikov A.I., Stepanov S.I., Chikiryaka A.V., Scheglov M.P., Odnobludov M.A., Nikolaev V.I. Thick α-Ga2O3 Layers on Sapphire Substrates Grown by Halide Epitaxy // Semiconductors. 2019. Vol. 53. № 6. P. 780–783. DOI: 10.1134/S1063782619060150.

23. Fischer-Cripps A.C. Nanoindentation. New York: Springer, 2011. 282 p. DOI: 10.1007/978-1-4419-9872-9.

24. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. 1992. Vol. 7. № 6. P. 1564–1583. DOI: 10.1557/JMR.1992.1564.

25. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advanced in understanding and refinements to methodology // Journal of Material Research. 2004. Vol. 19. № 1. P. 3–20. DOI: 10.1557/jmr.2004.19.1.3.

26. McSkinin H.J., Andreatch Jr.P., Glynn P. The Elastic Stiffness Moduli of Diamond // Journal of Applied Physics. 1972. Vol. 43. № 3. P. 985–987. DOI: 10.1063/1.1661318.

27. Ohmura T., Wakeda M. Pop-In Phenomenon as a Fundamental Plasticity Probed by Nanoindentation Technique // Materials. 2021. Vol. 14. № 8. Article number 1879. DOI: 10.3390/ma14081879.

28. Fang X.F., Bishara H., Ding K., Tsybenko H., Porz L., Höfling M., Bruder E., Li Y.W., Dehm G., Durst K. Nanoindentation pop-in in oxides at room temperature: Dislocation activation or crack formation? // Journal of the American ceramic society. 2021. Vol. 104. № 9. P. 4728–4741. DOI: 10.1111/jace.17806.

29. Nikolaev V.I., Chikiryaka A.V., Guzilova L.I., Pechnikov A.I. Microhardness and Crack Resistance of Gallium Oxide // Technical Physics Letters. 2019. Vol. 45. № 11. P. 1114–1117. DOI: 10.1134/S1063785019110117.

30. Schewski R., Wagner G., Baldini M., Gogova D., Galazka Z., Schulz T., Remmele T., Markurt T., von Wenckstern H., Grundmann M., Bierwagen O., Vogt P., Albrecht M. Epitaxial stabilization of pseudomorphic α-Ga2O3 on sapphire (0001) // Applied physics express. 2015. Vol. 8. № 1. Article number 11101. DOI: 10.7567/APEX.8.011101.

31. He H.Y., Orlando R., Blanco M.A., Pandey R., Amzallag E., Baraille I., Rérat M. First-principles study of the structural, electronic, and optical properties of Ga2O3 in its monoclinic and hexagonal phases // Physical Review B. 2006. Vol. 74. № 19. Article number 195123. DOI: 10.1103/PhysRevB.74.195123.

32. Ma Y., Cao L.L., Hang W., Zhang T.H., Yuan J.L. Crystallographic orientation effect on the incipient plasticity and its stochastic behavior of a sapphire single crystal by spherical nanoindentation // Ceramics International. 2020. Vol. 46. № 10. P. 15554–15564. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.03.102.

33. Dub S.N., Brazhkin V.V., Novikov N.V., Tolmachova G.N., Litvin P.M., Lityagina L.M., Dyuzheva T.I. Comparative studies of mechanical properties of stishovite and sapphire single crystals by nanoindentation // Journal of Superhard Materials. 2010. Vol. 32. № 6. P. 406–414. DOI: 10.3103/S1063457610060067.

34. Mao W.G., Shen Y.G., Lu C. Nanoscale elastic–plastic deformation and stress distributions of the C plane of sapphire single crystal during nanoindentation // Journal of the European Ceramic Society. 2011. Vol. 31. № 10. P. 1865–1871. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.04.012.

35. Ruppi S., Larsson A., Flink A. Nanoindentation hardness, texture and microstructure of α-Al2O3 and κ-Al2O3 coatings // Thin Solid Films. 2008. Vol. 516. № 18. P. 5959–5966. DOI: 10.1016/j.tsf.2007.10.078.

36. Nowak R., Pessa M., Suganuma M., Leszczynski M., Grzegory I., Porowski S., Yoshida F. Elastic and plastic properties of GaN determined by nano-indentation of bulk crystal // Applied physics letters. 1999. Vol. 75. № 14. P. 2070–2072. DOI: 10.1063/1.124919.

37. Cheng Y.T., Cai D.J., Wang H., Wu J.J., Liu X.S., Zhang G.Y., Yu T.J. Anisotropic Fracture Toughness of Bulk GaN // Physica status solidi B-basic solid state physics. 2018. Vol. 255. № 5. Article number 1700515. DOI: 10.1002/pssb.201700515.

38. Colemana V.A., Bradby J.E., Jagadish C., Munroe P., Heo Y.W., Pearton S.J., Norton D.P., Inoue M., Yano M. Mechanical properties of ZnO epitaxial layers grown on a- and c-axis sapphire // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 86. № 20. Article number 203105. DOI: 10.1063/1.1929874.

39. Jian S.R. Mechanical responses of single-crystal ZnO // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 494. № 1-2. P. 214–218. DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.11.142.

40. Ma Y., Huang X.W., Song Y.X., Hang W., Zhang T.H. Room-Temperature Creep Behavior and Activation Volume of Dislocation Nucleation in a LiTaO3 Single Crystal by Nanoindentation // Materials. 2019. Vol. 12. № 10. Article number 1683. DOI: 10.3390/ma12101683.


Рецензия

Для цитирования:


Гузилова Л.И., Гращенко А.С., Николаев В.И. Исследование сопротивления механической деформации эпитаксиальных слоев α-Ga2O3 методом наноиндентирования. Frontier Materials & Technologies. 2021;(4):7-16. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-7-16

For citation:


Guzilova L.I., Grashchenko A.S., Nikolaev V.I. The study of mechanical deformation resistance of α-Ga2O3 epitaxial layers using the nanoindentation technique. Frontier Materials & Technologies. 2021;(4):7-16. (In Russ.) https://doi.org/10.18323/2782-4039-2021-4-7-16

Просмотров: 195


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2782-4039 (Print)
ISSN 2782-6074 (Online)