[论文解读] 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 23

一句话总结

本研究在金属有机物化学气相外延（MOVPE）生长的η-(Al0.26Ga0.74)2O3薄膜中实现了n型重掺杂，并通过η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3异质结构中的调制掺杂实现了高电子迁移率。在异质结构中，载流子浓度最高达7.3×10¹⁹ cm⁻³，电子迁移率为53 cm²/V·s，通过掺杂的阻挡层和薄的间隔层实现了2.3×10¹² cm⁻²的面电荷密度。

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.

研究动机与目标

• 通过使用硅作为掺杂剂，在MOVPE生长的η-(Al0.26Ga0.74)2O3薄膜中实现n型重掺杂。
• 在η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3异质结构中展示调制掺杂，以增强电子输运性能。
• 通过控制硅烷流量，优化硅掺杂η-(Al0.26Ga0.74)2O3层中的载流子浓度和电子迁移率。
• 通过掺杂的阻挡层和薄的间隔层，在异质结构中实现高二维电子气（2DEG）面电荷密度。

提出的方法

• 采用金属有机物化学气相外延（MOVPE）在蓝宝石衬底上生长不同硅烷摩尔流量的硅掺杂η-(Al0.26Ga0.74)2O3薄膜。
• 利用高分辨率X射线衍射（HRXRD）确认外延薄膜的合金成分和结构质量。
• 在室温下进行霍尔效应测量，以确定掺杂层中的载流子浓度和电子迁移率。
• 在异质结构中实施调制掺杂，采用硅掺杂的η-(Al0.26Ga0.74)2O3阻挡层和薄的未掺杂间隔层，以在界面处限制电子。
• 通过异质结构的霍尔测量提取电子面电荷密度，其中阻挡层提供掺杂源。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过MOVPE掺杂硅是否可在η-(Al0.26Ga0.74)2O3薄膜中实现高载流子浓度？
• RQ2 在室温下，硅掺杂的η-(Al0.26Ga0.74)2O3薄膜中可实现的电子迁移率是多少？
• RQ3 在η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3异质结构中实施调制掺杂是否可产生高密度二维电子气？
• RQ4 硅烷摩尔流量如何影响掺杂薄膜中的载流子浓度和迁移率？

主要发现

• 室温霍尔测量显示，均匀掺杂的η-(Al0.26Ga0.74)2O3层中载流子浓度为6×10¹⁸至7.3×10¹⁹ cm⁻³，迁移率范围为53至27 cm²/V·s。
• 薄膜中的载流子浓度与硅烷摩尔流量成正比，证实了MOVPE中硅掺杂的有效性。
• 通过使用硅掺杂的阻挡层和薄的间隔层，在η-(Al0.26Ga0.74)2O3/η-Ga2O3异质结构中实现了总电子面电荷密度2.3×10¹² cm⁻²。
• 高分辨率X射线衍射证实η-(Al0.26Ga0.74)2O3的合金成分，铝的摩尔分数保持一致为0.26。
• 电子迁移率随载流子浓度增加而降低，与重掺杂半导体中的电离杂质散射行为一致。