Caracterização estrutural de filmes de Ga2O3 fabricados por sputtering e modificados por irradiação iônica

Abstract

O óxido de gálio (Ga2O3) possui propriedades que o destacam frente a outros semicondutores de bandgap largo, entre elas, seu bandgap mais amplo, elevado campo elétrico de ruptura, alta fotossensibilidade ultra-violeta (UV), transparência solar/visível e compatibilidade tecnológica. As características citadas permitem minimização no tamanho dos dispositivos, detecção natural de radiação UV, sensoriamento de gases e aplicação em eletrônica de alta potência. E a substituição de semicondutores usuais por este, possibilita alto ganho tecnológico. O presente projeto buscou estabelecer um protocolo de fabricação de filmes de Ga2O3 por magnetron sputtering, definindo quais parâmetros são ideais para a fabricação de filmes com características que permitam, posteriormente, desenvolver sensores e outros dispositivos eletrônicos utilizando esse material, assim como, determinar como estes filmes respondem em contato à irradiação iônica com íons pesados de alta energia, visando possíveis aplicações militares e espaciais. Com tal finalidade, foi efetuada a análise de filmes finos de Ga2O3 para determinar sua estrutura e composição iniciais (como depositados), e também, após irradiação iônica. Os filmes foram depositados em substratos de Si e Si/SiO2 mediante utilização de alvos de Ga2O3 e variação de diversos parâmetros, como pressão, temperatura, potência, tempo e taxa de deposição, natureza do gás ionizante e annealing. As amostras foram irradiadas por feixe de íons Au+3 de energia 8 MeV e fluência total de 3x1014 íons por cm2 . Para a análise foram utilizadas as técnicas grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) e Rutherford backscattering spectrometry (RBS). Através de deposição à temperatura ambiente seguida por tratamento térmico a 1100 ◦C, foi possível a obtenção de um filme policristalino de óxido de gálio na sua fase mais estável (monoclínica), composto por 3 camadas com concentrações relativas diferentes mas de composição total estequiométrica. A irradiação provocou redução na parcela cristalina e mudanças na concentração dos elementos de cada camada, mas manteve a estequiometria na composição total do filme.

Gallium oxide (Ga2O3) has properties that set it apart from other wide bandgap semiconductors, among them, its broadest bandgap, high breakdown electric field, high ultra-violet (UV) photosensitivity, solar/visible transparency and technological compatibility. The aforementioned characteristics allow minimization of the size of the devices, natural detection of UV radiation, gas sensing and application in high power electronics. And the replacement of usual semiconductors with this one, enables high technological gain. The present project aimed to establish a protocol for the manufacture of Ga2O3 films by magnetron sputtering, defining which parameters are ideal for the manufacture of films with characteristics that allow, later development of sensors and other electronic devices using this material, as well as to determine how these films respond to ion irradiation with high energy heavy ions, aiming at possible military and space applications. To do so, the analysis of Ga2O3 thin films was carried out to determine their initial structure and composition (as deposited), and also, after ion irradiation. The films were deposited on Si and Si/SiO2 substrates using Ga2O3 compound target and by variation of several parameters, such as pressure, temperature, power, deposition time and rate, nature of the ionizing gas and annealing temperature. The samples were irradiated with a 8 MeV Au+3 ions to a total fluence of 3x1014 ions per cm2 . For the analysis, the grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) and Rutherford backscattering spectrometry (RBS) techniques were used. Through deposition at room temperature followed by thermal annealing at 1100 ◦C, it was possible to obtain a polycrystalline film of gallium oxide in its most stable phase (monoclinic), composed of 3 layers with different relative concentrations but total composition stoichiometric. The irradiation caused a reduction in the crystallinity portion and changes in the elements concentration of each layer, but kept the stoichiometry of the film total composition.