doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-880-886


УДК 538. 953-405

Измерение теплоемкости и теплопроводности объемных кристаллов
β-Ga2O3 и β-(AlxGa1–x)2O3, выращенных методом Чохральского

Бауман Д.А., Панов Д.Ю., Спиридонов В.А., Кремлева А.В., Одноблюдов М.А., Асач А.В., Крылов В.А., Исаченко Г.Н., Тамбулатова Е.В., Бугров В.Е., Романов А.Е.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Бауман Д.А., Панов Д.Ю., Спиридонов В.А., Кремлева А.В., Одноблюдов М.А., Асач А.В., Крылов В.А., Исаченко Г.Н., Тамбулатова Е.В., Бугров В.Е., Романов А.Е. Измерение теплоемкости и теплопроводности объемных кристаллов β-Ga2O3 и β-(AlxGa1–x)2O3, выращенных методом Чохральского // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 6. С. 880–886. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-880-886


Аннотация
Предмет исследования. Одна из областей применения объемных кристаллов оксида галлия — изготовление подложек для проведения эпитаксиального выращивания приборных структур силовой электроники и оптоэлектроники в системе Ga2O3/(AlxGa1–x)2O3. Для большинства конструкций приборов подложка является каналом отведения тепла от прибора к внешнему радиатору. Данное свойство делает информацию о тепловых характеристиках объемных кристаллов оксида галлия и твердого раствора оксидов галлия и алюминия, в частности о теплоемкости и теплопроводности критически важной. В работе проведено измерение теплоемкости объемных кристаллов β-модификации чистого оксида галлия (β-Ga2O3), полученных методом Чохральского, а также двойного твердого раствора β-оксида галлия и оксида алюминия β-(AlxGa1–x)2O3 для различных значений концентрации Al в диапазоне температур 25–480 °С. Метод. Образцы объемных кристаллов выращены в промышленной установке «Ника-3» методом вытягивания из расплава (метод Чохральского). Затем на образцах, специальным образом подготовленных из объемных кристаллов, методом дифференциальной сканирующей калориметрии измерена удельная теплоемкость. Методом с применением плоского источника тепла (метод горячего диска) измерена теплопроводность в кристаллографическом направлении [010]. Основные результаты. Получена зависимость удельной теплоемкости кристаллов β-(AlxGa1–x)2O3 для значений атомной концентрации алюминия, которая лежит в диапазоне от 0 (чистый оксид галлия) до 9,11 ат.%. Выполнен анализ влияния содержания Al на теплоемкость материала. Получена зависимость теплопроводности β-Ga2O3 от температуры, в направлении роста [010], в диапазоне температур 43–120 °С. Практическая значимость. Результаты исследования могут найти применение при дальнейшем изучении тепловых свойств оксида галлия, а также при решении задачи отвода тепла для приборов, основанных на оксиде галлия.

Ключевые слова: оксид галлия, объемные кристаллы, метод Чохральского, теплоемкость, теплопроводность

Благодарности. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-19-00686).

Список литературы
  1. Janowitz C., Scherer V., Mohamed M., Krapf A., Dwelk H., Manzke R., Galazka Z., Uecker R., Irmscher K., Fornari R., Michling M., Schmeißer D., Weber J.R., Varley J.B., Walle C.G.V. Experimental electronic structure of In2O3 and Ga2O3 // New Journal of Physics. 2011. V. 13. N 8. P. 085014. https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/8/085014
  2. Mohamed H.F., Xia C., Sai Q., Cui H., Pan M., Qi H. Growth and fundamentals of bulk β-Ga2O3 single crystals // Journal of Semiconductors, 2019. V. 40. N 1. P. 011801. https://doi.org/10.1088/1674-4926/40/1/011801
  3. Joishi C., Rafique S., Xia Z., Han L., Krishnamoorthy S., Zhang Y., Lodha S., Zhao H., Rajan S. Low-pressure CVD-grown β-Ga2O3 bevel-field-plated Schottky barrier diodes // Applied Physics Express. 2018. V. 11. N 3. P. 031101. https://doi.org/10.7567/APEX.11.031101
  4. Higashiwaki M., Sasaki K., Kuramata A., Masui T., Yamakoshi S. Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal β-Ga2O3 (010) substrates // Applied Physics Letters. 2012. V. 100. N 1. P. 013504. https://doi.org/10.1063/1.3674287
  5. 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. V. 180. P. 125–129. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.12.010
  6. Бауман Д.А., Пьянкова Л.А., Кремлева А.В., Спиридонов В.А., Панов Д.Ю., Закгейм Д.А., Бахвалов А.С., Одноблюдов М.А., Романов А.Е., Бугров В.Е. Элементное и структурное картирование объемных кристаллов (AlxGa1-x)2O3, полученных методом Чохральского // Письма в Журнал технической физики. 2021. V. 47. N 5. P. 19–22. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.05.50671.18580
  7. Bauman D.A., Panov D.Iu., Zakgeim D.A., Spiridonov V.A., Kremleva A.V., Petrenko A.A., Brunkov P.N., Prasolov N.D., Nashchekin A.V., Smirnov A.M., Odnoblyudov M.A., Bougrov V.E., Romanov A.E. High-quality bulk β-Ga2O3 and β-(AlxGa1−x)2O3 crystals: Growth and properties // Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science. 2021. V. 218. N 20. P. 2100335. https://doi.org/10.1002/pssa.202100335
  8. Swinnich E., Dave Y.J., Pitman E.B., Broderick S., Mazumder B., Seo J.-H. Prediction of optical band gap of β-(AlxGa1-x)2O3 using material informatics // Materials Discovery. 2018. V. 11. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.md.2018.06.001
  9. Feng Q., Li X., Han G., Huang L., Li F., Tang W., Zhang J., Hao Y. (AlGa)2O3 solar-blind photodetectors on sapphire with wider bandgap and improved responsivity // Optical Materials Express. 2017. V. 7. N 4. P. 1240–1248. https://doi.org/10.1364/OME.7.001240
  10. Stepanov S.I., Nikolaev V.I., Bougrov V.E., Romanov A.E. Gallium oxide: properties and applica - a review // Reviews on Advanced Materials Science. 2016. V. 44. N 1. P. 63–86.
  11. Vaca D., Yates L., Nepal N., Katzer D.S., Downey B.P., Wheeler V., Meyer D.J., Graham S., Kumar S. Thermal conductivity of β-Ga2O3 thin films grown by molecular beam epitaxy // Proc. of the 19th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm). 2020. P. 1011–1016. https://doi.org/10.1109/ITherm45881.2020.9190381
  12. Hidalgo-Ruiz J.L., Romero-González R., Martínez Vidal J.L., Garrido Frenich A. A rapid method for the determination of mycotoxins in edible vegetable oils by ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry // Food Chemistry. 2019. V. 288. P. 22–28. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.03.003
  13. Gustafsson S.E., Karawacki E., Khan M.N. Determination of the thermal‐conductivity tensor and the heat capacity of insulating solids with the transient hot‐strip method // Journal of Applied Physics. 1981. V. 52. N 4. P. 2596–2600. https://doi.org/10.1063/1.329068
  14. He Y. Rapid thermal conductivity measurement with a hot disk sensor: Part 1. Theoretical considerations // Thermochimica Acta. 2005. V. 436. N 1-2. P. 122–129. https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.06.026
  15. Jiang P., Qian X., Li X., Yang R. Three-dimensional anisotropic thermal conductivity tensor of single crystalline β-Ga2O3 // Applied Physics Letters. 2018. V. 113. N 23. P. 232105. https://doi.org/10.1063/1.5054573
  16. Шелудяк Ю.Е., Кашпоров Л.Я., Малинин Л.А., Цалков В.Н. Теплофизические свойства компонентов горючих систем: cправочник. М.: НПО Информ ТЭИ, 1992. 184 с.
  17. Galazka Z., Irmscher K., Uecker R., Bertram R., Pietsch M., Kwasniewski A., Naumann M., Schulz T., Schewski R., Klimm D., Bickermann M. On the bulk β-Ga2O3 single crystals grown by the Czochralski method // Journal of Crystal Growth. 2014. V. 404. P. 184–191. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.07.021


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2022 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика