[论文解读] 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 OxidesMaterials Science参考文献 37被引用 18

一句话总结

本研究证明，对外延La掺杂BaSnO3（LBSO）薄膜进行真空退火可显著提高载流子迁移率，这是由于氧空位的形成同时增加了载流子浓度并促进了横向晶粒生长。这种迁移率提升——在空气退火条件下无法实现——源于通过控制氧空位形成实现的缺陷工程。

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.

研究动机与目标

• 解决外延La掺杂BaSnO3（LBSO）薄膜的迁移率持续抑制问题，相较于体单晶材料。
• 研究氧空位在调控LBSO薄膜电子与结构特性中的作用。
• 确定真空退火是否可通过缺陷介导的晶粒生长来增强载流子迁移率。
• 比较真空退火与空气退火对LBSO薄膜载流子浓度和迁移率的影响。
• 确立真空退火作为优化LBSO薄膜性能的可行后处理工艺。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法在MgO衬底上外延生长LBSO薄膜。
• 在高温下进行真空退火，以诱导氧空位的形成。
• 利用霍尔条形几何结构和范德堡方法测量载流子浓度与迁移率。
• 通过原位X射线衍射监测结构演变，追踪晶粒生长与晶格变化。
• 与空气退火样品进行对比分析，以分离氧空位的作用。
• 基于缺陷化学原理，分析氧空位浓度与迁移率提升之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 真空退火如何影响外延LBSO薄膜中的氧空位浓度？
• RQ2 氧空位对LBSO薄膜载流子浓度与迁移率有何影响？
• RQ3 真空退火是否诱导LBSO薄膜中的横向晶粒生长？若存在，其如何影响输运特性？
• RQ4 为何仅在真空退火的LBSO薄膜中观察到迁移率提升，而空气退火样品中未见此现象？
• RQ5 能否通过氧空位形成实现的缺陷工程，弥合LBSO薄膜与体单晶之间迁移率的差距？

主要发现

• 真空退火因氧空位的形成，提高了LBSO薄膜中的载流子浓度。
• LBSO薄膜在真空退火后迁移率显著提升，而空气退火条件下未观察到类似改善。
• 氧空位的形成导致横向晶粒同时生长，减少了晶界散射，改善了载流子输运。
• 迁移率的提升归因于载流子浓度增加与晶界密度降低的协同效应。
• 结果表明，真空退火是改善外延LBSO薄膜电子性能的强有力后处理方法。
• 本研究建立了氧空位浓度与外延LBSO薄膜迁移率提升之间的直接关联，为实现接近体单晶水平的迁移率提供了可行路径。