ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ α-Ga2O3 МЕТОДОМ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ

L I Guzilova,Ioffe Physical-Technical Institute Of The Russian Academy Of Sciences ,A S Grashchenko,V I Nikolaev,

doi:10.18323/2782-4039-2021-4-7-16

L I Guzilova, Ioffe Physical-Technical Institute Of The Russian Academy Of Sciences + Show 3 more

Open Access

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

Copy DOI

Abstract

Gallium oxide (Ga2O3) is a wide-band semiconducting material with an energy gap width Eg=4.8–5.0 eV, high conductivity (λ~10.9–27.0 W/(m·K)), and radiation and chemical resistance. Its energy gap width and conductivity allow in the future using the material in the structures of power equipment and optoelectronic devices to increase their energy performance, i.e. to decrease heating and increase productive capacity. Radiation resistance, high breakdown field, and optical asymmetry of Ga2O3 make it attractive for application when designing UV-photoelectric receivers and space systems. The electrical and optical properties of Ga2O3 are amply studied, but there are no systematic data on its physical and mechanical properties (hardness, Young’s modulus, and crack resistance). The paper investigated the deformation in α-Ga2O3 epitaxial layers during nanoindentation. For indentation, the authors used NanoTest (Micro Materials Ltd.) hardness meter. The surface (0001) of α-Ga2O3 crystalline layers produced in the process of chloride gas epitaxy on sapphire (Al2O3) substrates with basic (0001) orientation was investigated. For the first time, the authors experimentally obtained the values of α-Ga2O3 hardness and Young’s modulus using the Oliver-Farr method. The dependences of the indentation load on the penetration depth demonstrated the deviation from linearity, including stress relaxation coming from the pop-in phenomenon. The average values of nanohardness H and Young’s modulus E were 17 and 281 GPa, respectively. The obtained H and E values demonstrate higher characteristics compared to the formerly studied β-Ga2O3 epitaxial layers. This discrepancy can be explained by the more close-packed arrangement of the α-Ga2O3 structure (the corundum type) than one of monoclinic β-Ga2O3. The study shows that α-Ga2O3 leaves the majority of semiconducting materials behind in its mechanical properties conceding only to gallium nitride (GaN) and sapphire (Al2O3)

Highlights

conductivity allow in the future using the material in the structures
The paper investigated the deformation in α-Ga2O3 epitaxial layers during nanoindentation
of α-Ga2O3 crystalline layers produced in the process of hydride vapour phase epitaxy

Summary

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе исследовались эпитаксиальные слои α-Ga2O3, полученные в процессе хлоридной газовой эпитаксии (Halide Vapour Phase Epitaxy, или HVPE) в реакторе, разработанном ООО «Совершенные кристаллы» [22]. Изменение соотношения VI/III достигалось путем изменения потока HCl через источник галлия от 0,15 до 1,5 мл/мин при неизменном потоке кислорода 3 мл/мин. Структурные параметры слоев оксидов галлия исследовались методами рентгеновской дифракции на базе трехкристального рентгеновского дифрактометра (ТРД) высокого разрешения с использованием кристаллов германия в качестве анализатора и монохроматора на рефлексах (004) для CuKα1. Что эпитаксиальные слои α-Ga2O3 являются структурно однородными и имеют ориентацию (0001), как и подложка Al2O3 [22]. Для достоверности результатов в методике индентирования покрытий требуется выполнение следующего условия: глубина, на которую происходит вдавливание индентора в поверхность, не должна превышать 10 % от толщины слоя, что позволяет избежать влияния подложки на получаемые результаты [23]. Для вычисления модуля упругости E слоя необходимо рассчитать приведенный (эффективный) модуль Юнга Er в контакте индентор – поверхность по формуле. Ei=1,05·103 ГПа; νi=0,1 [26]

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ