[論文レビュー] MOVPE-grown Si-doped \b{eta}-(Al0.26Ga0.74)2O3 thin films and heterostructures

Praneeth Ranga, Ashwin K. Rishinaramangalam+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2019

Ga2O3 and related materials参考文献 30被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、金属有機気相 epitaxy (MOVPE) で成長した η-(Al0.26Ga0.74)2O3 薄膜において n 型デゲネレートドーピングを実証し、η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3 ハイブリッド構造におけるモジュレーションドーピングによって高い電子移動度を達成した。ドーピングされたバリア層と薄いスペーサ層を用いることで、2.3×10¹² cm⁻² のシート電荷密度を達成し、最大で 7.3×10¹⁹ cm⁻³ のキャリア濃度と 53 cm²/V·s の電子移動度を実現した。

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.

研究の動機と目的

• 金属有機気相 epitaxy (MOVPE) を用いて、シリコンをドーラントとして用いることで、MOVPE で成長した η-(Al0.26Ga0.74)2O3 薄膜における n 型デゲネレートドーピングを達成すること。
• η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3 ハイブリッド構造におけるモジュレーションドーピングを実証し、電子輸送を向上させること。
• シリルのモル流量を制御することで、シリコンドープ η-(Al0.26Ga0.74)2O3 層におけるキャリア濃度と電子移動度を最適化すること。
• ドープされたバリア層と薄いスペーサ層を用いることで、ハイブリッド構造における高密度の二次元電子ガス (2DEG) シート電荷密度を実現すること。

提案手法

• 金属有機気相 epitaxy (MOVPE) を用いて、シリルのモル流量を変化させながら、 sapphire サブストレート上にシリコンドープ η-(Al0.26Ga0.74)2O3 薄膜を成長させた。
• 高分解能 X 線回折 (HRXRD) を用いて、エpitaxial 薄膜の合金組成および構造的品質を確認した。
• 室温でのホール効果測定を実施し、ドーピングされた層のキャリア濃度と電子移動度を決定した。
• 電子を界面で閉じ込めるために、シリコンドープ η-(Al0.26Ga0.74)2O3 バリア層と薄い undoped スペーサ層を有するハイブリッド構造にモジュレーションドーピングを適用した。
• ホール測定結果からハイブリッド構造の電子シート電荷密度を抽出した。ここでバリア層がドーピング源を提供した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOVPE を用いたシリコンドーピングによって、η-(Al0.26Ga0.74)2O3 薄膜で高いキャリア濃度を達成できるか？
• RQ2 室温におけるシリコンドープ η-(Al0.26Ga0.74)2O3 薄膜の電子移動度はどの程度達成可能か？
• RQ3 η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3 ハイブリッド構造におけるモジュレーションドーピングによって、高密度の二次元電子ガスを生成できるか？
• RQ4 シリルのモル流量は、ドーピングされた薄膜のキャリア濃度と移動度にどのように影響するか？

主な発見

• 室温でのホール測定により、一様にドーピングされた η-(Al0.26Ga0.74)2O3 層ではキャリア濃度が 6×10¹⁸ 〜 7.3×10¹⁹ cm⁻³、移動度が 53 〜 27 cm²/V·s の範囲で測定された。
• 薄膜内のキャリア濃度はシリルのモル流量に比例しており、MOVPE を用いた有効なシリコンドーピングが確認された。
• シリコンドープバリア層と薄いスペーサ層を用いることで、η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3 ハイブリッド構造で合計 2.3×10¹² cm⁻² の電子シート電荷密度を達成した。
• 高分解能 X 線回折により、η-(Al0.26Ga0.74)2O3 の合金組成が安定したアルミニウムモル分率 0.26 で確認された。
• 電子移動度はキャリア濃度の増加に伴い低下しており、デゲネレートドープ半導体におけるイオン化不純物散乱と整合的であった。