Charakterizace tenkých vrstev širokopásmových polovodivých oxidů

Abstract

Oxid galia (GaO), zejména v monoklinické β-fázi (β-GaO), je velmi slibný polovodič s ultraširokým zakázaným pásmem (UWBG) v rozmezí od 4,8 do 5,3 eV. Díky tomu je atraktivní pro aplikace v transparentních vodivých oxidech (TCO), výkonové elektronice a fotodetektorech pro hluboké ultrafialové záření. V této studii byly tenké filmy GaO naneseny na různé substrátové materiály pomocí plazmově vylepšené atomární depozice (PEALD), což je technika, která umožňuje kontrolu a konformitu na atomární úrovni při relativně nízkých teplotách zpracování, díky čemuž je obzvláště vhodná pro teplotně citlivé aplikace. Výzkum se zaměřuje na to, jak různé typy substrátů ovlivňují morfologii povrchu, krystalinitu a elektrické chování filmů GaO za podmínek nízkoteplotní depozice. Při 200 °C vykazují filmy převážně amorfní vlastnosti s menšími krystalickými rysy odpovídajícími fázím α i β. Bylo zjištěno, že volba substrátu významně ovlivňuje nukleační chování a drsnost povrchu. Elektrická měření odhalila vysoký měrný odpor napříč všemi vzorky, což je v souladu s izolační povahou GaO. Pozorované změny však mohou být také ovlivněny tvorbou Schottkyho bariéry na rozhraní elektroda-film, což vyžaduje další výzkum. Celkově tato studie poskytuje cenné poznatky o růstu a modulaci vlastností filmů GaO pomocí substrátu při zpracování PEALD. Zjištění přispívají k základním poznatkům potřebným pro integraci GaO do transparentní elektroniky nové generace, polovodičových součástek s širokým zakázaným pásmem a teplotně omezených systémových architektur.

Gallium oxide (GaO), particularly in its monoclinic β-phase (β-GaO), is a highly promising ultra-wide bandgap (UWBG) semiconductor with a bandgap ranging from 4.8 to 5.3eV. This makes it attractive for applications in transparent conductive oxides (TCOs), high-power electronics, and deep-ultraviolet photodetectors. In this study, GaO thin films were deposited on various substrate materials using Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD), a technique that enables atomic-level control and conformality at relatively low processing temperatures, making it particularly suited for temperature-sensitive applications. The research focuses on how different substrate types influence the surface morphology, crystallinity, and electrical behavior of GaO films under low-temperature deposition conditions. At 200°C, the films exhibit predominantly amorphous characteristics, with minor crystalline features corresponding to both α and β phases. Substrate choice was found to significantly affect nucleation behavior and surface roughness. Electrical measurements reveal high resistivity across all samples, consistent with the insulating nature of GaO. However, the observed variations may also be influenced by Schottky barrier formation at the electrodefilm interface, which warrants further investigation. Overall, this study provides valuable insights into substrate-engineered growth and property modulation of GaO films under PEALD processing. The findings contribute to the foundational understanding required for integrating GaO into next-generation transparent electronics, wide-bandgap semiconductor devices, and thermally constrained system architectures.