Suboxid-Molekularstrahlepitaxie: In Richtung hoher Elektronen-Mobilität in α-(Al,Ga)2O3 und β-(Al,Ga)2O3

• Antragsteller: Patrick Vogt, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548632596

Die Suche nach neuartigen Materialien geht seit jeher mit der Suche nach neuartigen Synthesemethoden einher. Für die Synthese neuer Funktionsmaterialien wurden bahnbrechende Dünnschicht-Abscheidungsmethoden entwickelt. Die Synthese-Wissenschaft der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hat zu einem großen Teil die Entwicklung eines neuen technologischen Zeitalters ermöglicht: Die Entwicklung von Festkörper- und optoelektronischen Bauelementen --- die unser modernes tägliches Leben bestimmen. Der vorliegende Antrag zielt auf das Wachstum und die Dotierung des Halbleiters (Al,Ga)2O3 mit ultrabreiter Bandlücke (engl: UWBG) mittels Suboxid-MBE (S-MBE) --- eine neue MBE-Wachstumsmethode unter Verwendung von Suboxiden als Quellmaterial. Das bahnbrechende Merkmal der S-MBE besteht darin, dass es die komplexe 2-Stufen Kinetik von III-O-Materialien, in eine einfache und 1-Stufen Oberflächenkinetik umwandelt. Somit lassen sich neue III-O-Materialien mit höherer kristalliner Perfektion, deutlich höheren Wachstumsraten und niedrigeren Wachstumstemperaturen als derzeit von jeder anderen Oxid-MBE-Variante gezeigt züchten. In diesem Projekt wird S-MBE weiterentwickelt, um α-(Al,Ga)2O3 und β-(Al,Ga)2O3 unter Verwendung der Suboxide Ga2O und Al2O zu züchten. Für beide Polymorphe wird die Mischbarkreisgrenze von Al2O3 in Ga2O3 untersucht werden (auf verschiedenen Substraten). In einer Folgestudie werden diese optimierten (Al,Ga)2O3-Legierungen mit den Suboxiden SiO und GeO n-Typ dotiert. Bisher wurden als höchste Raumtemperaturmobilität (μe) für α-Ga2O3 und β-Ga2O3 entweder μe = 65 cm-2 V-1 s-1 bzw. μe = 176 cm-2 V-1 s-1 erreicht, beides gewachsen mittels chemischer Gasphasenabscheidung. Im Gegensatz dazu wird in der Literatur kein leitfähiges n-Typ-α-(AlxGa1-x)2O3 beschrieben, und in β-(Al0,15Ga0,85)2O3 beträgt die n-Typ-Mobilität bisher höchstens μe = 4 cm-2V-1s-1. Abhängig vom Dotierstoff (z. B. Si) und der Al-Konzentration im (AlxGa1-x)2O3-Kristall sinkt μe aufgrund der Bildung von DX-Zentren oder anderer kompensierender Punktdefekte. Die Antragsteller schlagen nun vor, dass die durch S-MBE möglich werdende Oberflächenkinetik und Defektbildungs-Thermodynamik, n-Typ α-(AlxGa1-x)2O3 und β-(AlxGa1-x)2O3 Schichten mit x > 0,2 und μe > 50 cm2 V-1 s-1 möglich werden --- und ist das wissenschaftliche Ziel dieses Antrags.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen