Investigation of device related material properties of β-Ga2O3 bulk crystals and homoepitaxial layers
Creators: name: Seyidov, Palvan
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Übergangsmetalle in und auf β-Ga2O3
subject: Volumenkristall
subject: Cz-Methode
subject: Raman-Streuung
subject: Transition metals in and on β-Ga2O3
subject: bulk crystals
subject: Cz method
subject: electronic Raman scattering
subject: 530 Physik

description: Die zentrale wissenschaftliche Fragestellung dieser Arbeit ist die Bewertung von anwendungsorientierten (100) β-Ga2O3 Czochralski (Cz) gewachsenen Bulk-Kristallen und mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gewachsenen homoepitaktischen Schichten. Zur Charakterisierung der Kristalle wurden elektrische und optische Charakterisierungsmethoden angewandt. Die Ergebnisse der Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Das Wachstum der Bulk-Kristalle erfolgt bevorzugt nach der Cz-Methode bei Temperaturen um 1800°C. Bei einer so hohen Temperatur ist der unbeabsichtigte Einbau von Verunreinigungen in den Kristall unvermeidlich, insbesondere von dem Übergangsmetall Iridium (Ir) aus den Ir-Tiegeln. In diesem Zusammenhang wurde resonante elektronischer Raman-Streuung (ERS) untersucht, die von Ir4+-Ionen in β-Ga2O3 aus der Cz-Züchtung stammt. Der beobachtete ERS-Peak bei 5150 cm-1 wird einem internen Übergang innerhalb des gespaltenen 2T2g-Grundzustands der Ir4+-Ionen zugeschrieben. Die optischen und elektrischen Eigenschaften von 3d-TM Co und Ni in β-Ga2O3 wurden experimentell und theoretisch untersucht. Optische Absorptionsspektroskopie, Messungen der Photoleitfähigkeit und Berechnungen der Ladungszustandsübergangsniveaus auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie wurden kombiniert. Ein (+/0)-Donor-Niveau ~ 0,7 eV, ~ 1,3 eV oberhalb des Valenzband-Maximums und ein (0/-)-Akzeptor-Niveau ~ 2 eV, ~ 2,8 eV unterhalb des Leitungsband-Minimums wurden konsistent für Co- bzw. Ni-dotierte Kristalle abgeleitet. Aufgrund der mittleren Bandlückenposition des Akzeptorniveaus und des daraus resultierenden höheren extrapolierten Widerstandes bei Raumtemperatur schlagen wir vor, dass Co und Ni geeignete Kandidaten für die Kompensationsdotierung von halbisolierenden β-Ga2O3-Bulkkristallen sind.
description: The core scientific question of this thesis is the evaluation of device-related (100) β-Ga2O3 Czochralski (Cz) grown bulk crystals and metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE)-grown homoepitaxial layers. Electrical and optical characterization methods were applied to characterize the crystals. The findings of the investigations can be summarized as follows: The growth of the bulk crystals is preferentially performed by the Cz method at temperatures around 1800°C. At such a high temperature, the unintentional incorporation of impurities into the crystal is inevitable, especially transition metal iridium (Ir) from the Ir crucibles. In this respect, the observation of resonant electronic Raman scattering (ERS) originating from Ir4+ ions in bulk β-Ga2O3 grown by the Cz method was studied. The observed ERS peak at 5150 cm-1 is attributed to an internal transition within the split 2T2g ground state of Ir4+ ions. The optical and electrical properties of the 3d-TM Co and Ni in bulk β-Ga2O3 were experimentally and theoretically investigated. Optical absorption spectroscopy, photoconductivity measurements, and charge-state transition-level calculations based on density functional theory were combined. A (+/0) donor level ~ 0.7 eV, ~ 1.3 eV above the valence band maximum, and a (0/–) acceptor level ~ 2 eV, ~ 2.8 eV below the conduction band minimum are consistently derived for Co- and Ni- doped crystals, respectively. Based on the mid-band gap position of the acceptor level and the resulting higher extrapolated resistivity at room temperature, we propose Co and Ni are suitable candidates for compensation doping of semi-insulating β-Ga2O3 bulk crystal.