[논문 리뷰] MOVPE-grown Si-doped \b{eta}-(Al0.26Ga0.74)2O3 thin films and heterostructures

Praneeth Ranga, Ashwin K. Rishinaramangalam외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 11.

Ga2O3 and related materials참고 문헌 30인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 금속유기계면 에피택시(MOVPE)로 성장시킨 η-(Al0.26Ga0.74)2O3 박막에서 n형 비정상 도핑을 입증하고, η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3 이종구조에서 조절 도핑을 통해 높은 전자 이동도를 달성한다. Si 도핑된 장벽층과 얇은 스퍼터층을 사용한 이종구조에서 최대 7.3×10¹⁹ cm⁻³의 적층 농도와 53 cm²/V·s의 전자 이동도를 확보하였으며, 2DEG의 면电하 밀도는 2.3×10¹² cm⁻²에 도달하였다.

ABSTRACT

We report on n-type degenerate doping in MOVPE grown \b{eta}-(Al0.26Ga0.74)2O3 epitaxial thin films and modulation doping in \b{eta}-(Al0.26Ga0.74)2O3/\b{eta}-Ga2O3 heterostructure. Alloy composition is confirmed using HRXRD measurements. Carrier concentration in the thin films is proportional to the silane molar flow. Room temperature hall measurements showed a high carrier concentration of 6x1018-7.3x1019 cm-3 with a corresponding electron mobility of 53-27 cm2/V.s in uniformly-doped \b{eta}-(Al0.26Ga0.74)2O3 layers. Modulation doping is used to realize a total electron sheet charge of 2.3x1012 cm-2 in a \b{eta}-(Al0.26Ga0.74)2O3/\b{eta}-Ga2O3 heterostructure using a uniformly-doped \b{eta}-(Al0.26Ga0.74)2O3 barrier layer and a thin spacer layer.

연구 동기 및 목표

• 금속유기계면 에피택시(MOVPE)를 이용해 Si를 도핑원으로 삼아 MOVPE로 성장한 η-(Al0.26Ga0.74)2O3 박막에서 n형 비정상 도핑을 달성하고자 한다.
• η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3 이종구조에서 조절 도핑을 통해 전자 이동도 향상을 입증하고자 한다.
• 실린의 유량 제어를 통해 Si 도핑된 η-(Al0.26Ga0.74)2O3 계층에서의 적층 농도와 전자 이동도를 최적화하고자 한다.
• 도핑된 장벽층과 얇은 스퍼터층을 이용해 이종구조에서 고밀도의 2차원 전자 가스(2DEG) 면전하 밀도를 실현하고자 한다.

제안 방법

• 실린의 몰 유량를 변화시켜 사파이어 기질 위에 MOVPE를 이용해 Si 도핑된 η-(Al0.26Ga0.74)2O3 박막을 성장시켰다.
• 고해상도 X선 회절(HRXRD)을 활용해 에피택셜 박막의 합금 조성과 구조적 품질을 확인하였다.
• 실온에서의 홀 효과 측정을 통해 도핑된 계층의 적층 농도와 전자 이동도를 측정하였다.
• 전자들을 인터페이스에서 봉쇄하기 위해 Si 도핑된 η-(Al0.26Ga0.74)2O3 장벽층과 얇은 비도핑된 스퍼터층을 포함한 이종구조에서 조절 도핑을 구현하였다.
• 홀 측정 결과에서 이종구조의 전자 면전하 밀도를 추출하였으며, 장벽층이 도핑 원천으로 기능하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MOVPE를 통한 Si 도핑이 η-(Al0.26Ga0.74)2O3 박막에서 높은 적층 농도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 실온에서 Si 도핑된 η-(Al0.26Ga0.74)2O3 박막의 전자 이동도는 어느 정도까지 확보될 수 있는가?
• RQ3 η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3 이종구조에서 조절 도핑이 고밀도 2차원 전자 가스를 생성할 수 있는가?
• RQ4 실린의 몰 유량은 도핑된 박막의 적층 농도와 이동도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실온에서의 홀 측정 결과, 균일 도핑된 η-(Al0.26Ga0.74)2O3 계층에서 적층 농도는 6×10¹⁸ ~ 7.3×10¹⁹ cm⁻³이며, 이동도는 53 ~ 27 cm²/V·s의 범위를 보였다.
• 박막 내 적층 농도는 실린의 몰 유량에 비례함을 확인하여 MOVPE를 통한 효과적인 Si 도핑이 가능함을 입증하였다.
• Si 도핑된 장벽층과 얇은 스퍼터층을 사용한 η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3 이종구조에서 총 전자 면전하 밀도는 2.3×10¹² cm⁻²에 도달하였다.
• 고해상도 X선 회절을 통해 η-(Al0.26Ga0.74)2O3의 합금 조성이 일관되게 Al 목분율 0.26로 확인되었다.
• 높은 적층 농도에서 전자 이동도가 감소함을 관찰하였으며, 이는 비정상 도핑된 반도체에서 이온화된 불순물 산란과 일치하였다.