[論文レビュー] Oxygen vacancy driven mobility enhancement in epitaxial La-doped BaSnO3 from vacuum annealing

Hai Jun Cho, Takaki Onozato+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2018

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 37被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial La-doped BaSnO3 (LBSO)薄膜の真空アニール処理が、酸素空孔を誘起することでキャリア移動度を顕著に向上させることを示している。この現象は、キャリア濃度の増加と並行して横方向の結晶粒成長を促進する。空気中アニールでは達成できない移動度の向上は、制御された酸素空孔形成による欠陥工学に起因する。

ABSTRACT

Wide bandgap (~3.1 eV) La-doped BaSnO3 (LBSO) has attracted increasing attention as one of the transparent oxide semiconductors since its bulk single crystal shows a high carrier mobility (~320 cm2 V-1 s-1) with a high carrier concentration (~10^20 cm-3). For this reason, many researchers have fabricated LBSO epitaxial films thus far, but the obtainable carrier mobility is substantially low compared to that of single crystals due to the formation of the lattice/structural defects. Here we report that the mobility suppression in LBSO films can be lifted by a simple vacuum annealing process. The vacuum annealing of the LBSO films on MgO substrate increased the carrier concentrations due to the oxygen vacancy formation, which leads to simultaneous lateral grain growth. As a result, the carrier mobility was greatly improved by the vacuum annealing, which does not occur after heat treatment in air. These results expand our current knowledge on the point defect formation in epitaxial LBSO films and show that vacuum annealing is a powerful tool for enhancing the mobility values of LBSO films.

研究の動機と目的

• エpitaxial La-doped BaSnO3 (LBSO)薄膜における、バルク単結晶と比較して持続的な移動度抑制の問題を解決すること。
• 酸素空孔がLBSO薄膜の電子的および構造的性質に与える影響を調査すること。
• 真空アニールが欠陥を介した結晶粒成長を促進することでキャリア移動度を向上させられるかを特定すること。
• LBSO薄膜におけるキャリア濃度および移動度に及ぼす真空アニールと空気中アニールの効果を比較すること。
• 真空アニールをLBSO薄膜の性能最適化のための実用的後処理手段として確立すること。

提案手法

• エpitaxial LBSO薄膜は、パulsed laser depositionを用いてMgO基板上に成長した。
• 高温での真空アニールを施し、酸素空孔の生成を誘起した。
• ホールバー構造およびvan der Pauw法を用いてキャリア濃度および移動度を測定した。
• 結晶粒成長および格子変化を追跡するために、in situ X線回折を用いて構造的変化をモニタリングした。
• 酸素空孔の役割を隔離するために、空気中アニール処理を施した試料と比較分析を行った。
• 欠陥化学の原則を用いて、酸素空孔濃度と移動度向上の関係を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空アニールはエpitaxial LBSO薄膜における酸素空孔濃度にどのように影響するか？
• RQ2 酸素空孔はLBSO薄膜におけるキャリア濃度および移動度にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 真空アニールはLBSO薄膜に横方向の結晶粒成長を誘起するか。もし誘起するならば、その電気的輸送特性への影響は何か？
• RQ4 なぜ真空アニール処理では移動度向上が観察されるが、空気中アニールでは観察されないのか？
• RQ5 酸素空孔形成による欠陥工学は、LBSO薄膜とバルク単結晶の間の移動度ギャップを埋めるために利用可能か？

主な発見

• 真空アニールにより、酸素空孔の生成に起因してLBSO薄膜のキャリア濃度が上昇した。
• LBSO薄膜の移動度は、真空アニール処理後に顕著に向上したが、空気中アニールでは同様の向上は観察されなかった。
• 酸素空孔の生成は、同時に横方向の結晶粒成長を引き起こし、界面散乱を低減してキャリア輸送を改善した。
• 移動度の向上は、キャリア濃度の増加と界面密度の低減の両方の効果に起因するものとされた。
• 本研究では、真空アニールがエpitaxial LBSO薄膜の電子的性質を向上させる強力な後処理手段であることを示した。
• 本研究では、エpitaxial LBSO薄膜における酸素空孔濃度と移動度向上の直接的な関連性を確立し、バルク単結晶に近い移動度値を達成するための道筋を示した。