Crescita di Materiali Nanostrutturati e Funzionali
Referente: Verucchi Roberto
Ga2O3
   PER MAGGIORI INFORMAZIONI: Matteo Bosi - +39 0521269288 - matteo.bosi@imem.cnr.it

 

In collaborazione con il dipartimento di Fisica dell'Università di Parma, IMEM si occupa della deposizione epitassiale e dello studio dell'ossido di gallio (Ga2O3 ), un semiconduttore ad altissima gap (4.7-5 eV) che ha riscosso un notevole interesse e attenzione dalla comunità della scienza dei materiali.

Le sue peculiari proprietà lo rendono un eccellente candidato per la realizzazione di dispositivi ad altissima potenza, con prestazioni superiori a quelle di SiC e GaN, e con campi di impiego complementari a questi.

La sua alta gap lo rende inoltre un candidato ideale alla rivelazione della luce ultravioletta nella banda UV-C, rendendolo allo stesso tempo insensibile alla luce visibile, UV-A e UV-B (solar blind).

il Ga2O3 si presenta in diversi politipi: la fase termodinamicamente stabile è la fase beta, comunemente utilizzata per la realizzazione dei dispositivi di potenza, ma con alcuni svantaggi quali la struttura monoclina del reticolo cristallino che rende difficile il taglio e il processing e rende anisotrope le proprietà ottiche ed elettriche. Le fasi alfa ed epsilon, metastabili, sono interessanti perché possono essere depositate su substrati di zaffiro e hanno una simmetria più elevata.

I possibili campi di impiego di questo materiale sono:

  • realizzazione di dispositivi di potenza per impiego nella distribuzione e conversione  dell'energia (campi fotovoltaici, parchi eolici, sistemi di potenza di treni e navi, etc) 
  • Rivelatori UV-C solar blind per monitoraggio di incendi, combustione di motori (aerei, missili - security), effetto corona di apparati operanti ad alta tensione.

Epitassia e studio di Ga2O3 in fase epsilon

Per la deposizione degli strati di Ga2O3 è stato customizzato un reattore MOVPE, operante con trimetilgallio, acqua, silano per drogaggio n e possiblilità di utilizzare azoto, elio, argon, idrogeno come carrier gas.

Gli sforzi sono stati concentrati allo studio della fase cristallografica epsilon del Ga2O3, meno conosciuta e nota. Dal 2015 il nostro gruppo ha evidenziato numerose caratteristiche di questo polimorfo, arrivando a descrivere per la prima volta la struttura cristallografica alla nanoscala e studiando le proprietà ottiche ed elettriche di questo politipo.

Ga2O3 per solar blind deep-UV sensing

Il gruppo ha dimostrato che la fase epsilon del Ga2O3 può essere impiegata con successo per la realizzazione di rivelatori solar blind nella banda UV-C. 

UV-C Ga2O3
Schema di un rivelatore UV-C a base di Ga2O3 e risposta di fotocorrente

 

UV-C Ga2O3
Risposta in fotocorrente di Ga2O3 in funzione della lunghezza d'onda

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PUBBLICAZIONI

S. Leone, R. Fornari, M. Bosi, V. Montedoro, L. Kirstea, P. Philipp Doering, F. Benkhelifa, M. Prescher, C. Manz, V. Polyakov, O. Ambacher
Epitaxial growth of GaN/Ga2O3 and Ga2O3/GaN heterostructures for novel high electron mobility transistors
Journal of Crystal Growth 534 (2020) 125511      

F. Boschi, M. Bosi, T. Berzina, E. Buffagni, C. Ferrari, R. Fornari
Hetero-epitaxy of epsilon Ga2O3 layers by MOCVD and ALD    
J. Cryst. Growth. 443 (2016)

F. Mezzadri, G. Calestani, F. Boschi, D. Delmonte, M. Bosi, R. Fornari 
Crystal Structure and Ferroelectric Properties of ε-Ga2O3 Films Grown on (0001)-Sapphire
Inorg. Chem. 55 (2016) 12079

I. Cora, F. Mezzadri, F. Boschi, M. Bosi, M. Čaplovičová, G. Calestani, I. Dódony, B. Pécz, R. Fornari
The real structure of ε-Ga2O3 and its relation to κ-phase
CrystEngComm 19 (2017) 1509

R. Fornari, M. Pavesi, V. Montedoro, D. Klimm, F. Mezzadri, I. Cora, B. Pécz, F. Boschi, A. Parisini, A. Baraldi, C. Ferrari, E. Gombia, M. Bosi
Thermal stability of ε-Ga2O3 polymorph
Acta Materialia,  140 (2017)  411

M. Pavesi, F. Fabbri, F. Boschi, G. Piacentini, A. Baraldia, M.Bosi, E. Gombia, A. Parisini, R.Fornari
ε-Ga2O3 epilayers as a material for solar-blind UV photodetectors
Materials Chemistry and Physics 205 (2018) 502