[논문 리뷰] Oxygen vacancy driven mobility enhancement in epitaxial La-doped BaSnO3 from vacuum annealing

Hai Jun Cho, Takaki Onozato외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 31.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 37인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 에pitaxial La-doped BaSnO3 (LBSO) 필름의 진공 안일이 산소 공석을 유도함으로써 운반자 이동도를 크게 향상시킨다는 것을 보여준다. 이는 동시에 운반자 농도를 증가시키고 횡방향 결정립 성장을 촉진한다. 공기 안일과는 달리 이 이동도 향상은 산소 공석을 통한 결함 공학에 의해 달성되며, 이를 통해 실현할 수 없는 성능 향상이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에pitaxial La-doped BaSnO3 (LBSO) 필름에서 발생하는 지속적인 이동도 저하 문제를 해결하기 위해.
• LBSO 필름의 전자적 및 구조적 성질을 조절하는 데서 산소 공석의 역할을 조사하기 위해.
• 진공 안일이 결함 매개 결정립 성장을 촉진함으로써 운반자 이동도를 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• LBSO 필름에서 운반자 농도와 이동도에 대한 진공 안일과 공기 안일의 영향을 비교하기 위해.
• 진공 안일을 LBSO 필름 성능 최적화를 위한 실용적인 후처리 방법으로 확립하기 위해.

제안 방법

• Pulsed laser deposition를 통해 MgO 기질 상에 에pitaxial LBSO 필름을 성장시켰다.
• 고온에서의 진공 안일을 통해 산소 공석 형성을 유도하였다.
• Hall bar 기하구조와 van der Pauw 방법을 사용하여 운반자 농도와 이동도를 측정하였다.
• 결정립 성장과 격자 변화를 모니터링하기 위해 in situ X-ray 회절을 통해 구조적 변화를 관찰하였다.
• 산소 공석의 역할을 분리하기 위해 공기 안일된 샘플과의 비교 분석을 수행하였다.
• 결함화학 원리를 사용하여 산소 공석 농도와 이동도 향상 간의 관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진공 안일은 에pitaxial LBSO 필름에서 산소 공석 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 산소 공석은 LBSO 필름에서 운반자 농도와 이동도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 진공 안일은 LBSO 필름에서 횡방향 결정립 성장을 유도하는가? 만약 그렇다면, 이는 전도성 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 진공 안일된 LBSO 필름에서는 이동도 향상이 관찰되지만, 공기 안일된 샘플에서는 그렇지 않은가?
• RQ5 산소 공석 형성을 통한 결함 공학을 활용하여 LBSO 필름과 단일 결정의 이동도 격차를 메울 수 있는가?

주요 결과

• 진공 안일은 산소 공석 형성으로 인해 LBSO 필름의 운반자 농도를 증가시켰다.
• 진공 안일 후 LBSO 필름의 이동도는 뚜렷이 향상되었으며, 공기 안일 조건에서는 유사한 향상이 관찰되지 않았다.
• 산소 공석 형성은 동반된 횡방향 결정립 성장을 유도하여, 결정립 경계의 산란을 감소시키고 운반자 전도성을 향상시켰다.
• 이동도 향상은 증가된 운반자 농도와 감소된 결정립 경계 밀도의 병합 효과에 기인하였다.
• 결과적으로 진공 안일은 에pitaxial LBSO 필름의 전자적 성질 향상에 효과적인 후처리 방법임을 입증하였다.
• 본 연구는 산소 공석 농도와 에pitaxial LBSO에서의 이동도 향상 간의 직접적인 연관성을 확립하였으며, 단일 결정에 가까운 이동도 값을 달성할 수 있는 길을 제시한다.