Группа российских ученых Университета МИСИС и компания «Совершенные кристаллы» первая в мире получила двумерный дырочный газа в гетероструктурах на новом широкозонном полупроводнике — к-оксиде галия, с предсказанными свойствами. Как отмечают исследователи, результат работы открывают перспективы использования оксида галлия в силовой полупроводниковой электронике. Результаты работы опубликованы в научном журнале Alloys and compounds.
В силовой полупроводниковой электронике, как и во многих других областях полупроводниковой электроники, возможности кремния — основного полупроводникового материала, оказались практически исчерпанными. Возможной альтернативой кремнию выступают широкозонные материалы, которые способны выдерживать значительно большие напряжения, сохранять рабочие характеристики приборов при более высоких температурах.
Чем больше ширина запрещённой зоны, тем более высокое напряжение можно приложить к контактам прибора, не вызывая электрического пробоя, и тем ближе можно расположить контакты, уменьшая сопротивление, а значит, электрические потери мощности, и тем при более высокой температуре устройство будет сохранять свою работоспособность.
Одним из перспективных представителей широкозонных полупроводников является оксид галлия (Ga2O3). Изучать его начали относительно недавно — в 2006 году на нем сделали первый лабораторный полевой транзистор. Материал привлекает ученых тем, что способен выдерживать электрическое поле до 8 MВ/см (против 0,3 МВ/см у кремния), его можно выращивать дешевыми способами и при этом получать большие кристаллы высокого качества.
А, например, к-полиморфная модификация оксида галлия (к-Ga2O3) является ферроэлектрической фазой — обладает спонтанной поляризацией, и позволяет создавать полевые транзисторы c высокой плотностью и подвижностью носителей в канале (HEMT транзистор).
«к-Ga2O3 выглядит достойным кандидатом на ведущую роль в силовой электронике, поскольку существование высокой спонтанной поляризации в к-Ga2O3 делает возможным изготавливать полевые транзисторы на гетеропереходах с очень большими токами насыщения при высоких напряжениях пробоя без дополнительного легирования канала силового транзистора на таком гетеропереходе», — отметил соавтор исследования, инженер научного проекта лаборатории ультраширокозонных полупроводников НИТУ МИСИС Антон Васильев.
Российские ученые совместно с коллегами из компании «Совершенные кристаллы» вырастили пленку оксида галлия (к-Ga2O3) на подложке нитрида алюминия (AlN) и подробно изучили структуру и ее электрические свойства. Особенность исследования заключается в том, что научная группа впервые экспериментально подтвердила возможность получения двумерного газа, образующегося на гетерогранице пленки к-Ga2O3 с другими широкозонными полупроводниками.
«Мы обнаружили необычное поведение структуры — оно заключалось в выпрямлении диода по току, словно материал обладал дырочной проводимостью. Это указывало на существование необычных эффектов на границе к-Ga2O3/AlN, поскольку ранее получить дырочную проводимость в Ga2O3 никому не удавалось. Дальнейшие детальные исследования материала подтвердили нашу догадку о ключевой роли носителей заряда, образующихся на границе к-Ga2O3 и AlN», — рассказал Антон Васильев.
Ученые предположили, что несвойственный для пленки к-Ga2O3 p-тип проводимости —дырочный тип проводимости, в котором основным источником заряда являются дырки, а не электроны, связан с образованием в гетероструктуре двумерного дырочного газа (2DHG).
«Моделирование структуры подтвердило предложенный нами механизм. Этот эффект в гетероструктуре возник из-за спонтанной поляризации в к-Ga2O3. Заряд поляризации материала был скомпенсирован положительным зарядом дырок на гетерогранице — это называется двумерным дырочным газом (2DHG). Тот эффект, что мы наблюдали показывает возможность создания транзистора с высокой подвижностью носителей заряда для к-Ga2O3», — заключил Антон Васильев.
В будущем ученые планируют продолжать изучать свойства данной структуры подробнее: создавать похожие гетероструктуры, но с помощью превращения β-Ga2O3 в к-Ga2O3, и добавлением большой дозы галлия, никеля, кислорода и золота.
Исследование выполнено в рамках национального проекта «Наука и университеты».
