Doping, phase control, and point defects in Ga2O3 thin films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy

Diese Arbeit untersucht Wachstum, Dotierung, Phasenbildung und die Steuerung von Punktdefekten in β- und κ-Ga2O3 mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (PA-MBE). Basierend auf Defektdiagrammen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) wurden β-Ga2O3-Proben unter Ga-reichen bis O-reichen Bedingungen gezüchtet, um native Punktdefekte zu steuern (mehr V_O/V_Ga unter Ga/O-reichen Bedingungen). Homoepitaktische β-Ga2O3(100), (010) und (001) Schichten, gezüchtet unter Verwendung von isotopenangereichertem 18O und In als Anionen- und Kationenmarker, ermöglichten erstmalig die konsistente Untersuchung der anisotropen Diffusion in β-Ga2O3. Die herausfordernde Si-Dotierung, wurde unter Verwendung einer SiO-Quelle anstelle von elementarem Si angegangen, was kontinuierliche Dotierung über mehrere Größenordnungen (8 × 10^16 bis 4 × 10^19 cm-3) ermöglichte. Oxidationseffekte bleiben bestehen und werden modelliert. Der Einfluss unbeabsichtigter Si-Verunreinigungen aus der Quarz-Plasmakavität wird untersucht und Strategien zu deren Minderung vorgeschlagen. Die Rolle von Ba als kompensierender Akzeptor wurde durch Si+Ba-Kodotierung nachgewiesen. Es gelang erstmals die Herstellung Ba-dotierter β-Ga2O3 Schichten, die jedoch eine Ba Oberflächensegregation zeigten. Elektrische Charakterisierung (Hall, C–V, Seebeck) bestätigt, in Übereinstimmung mit DFT Vorhersagen, das Akzeptorverhalten und identifiziert einen parallelen Leitungskanal. Schließlich wurden Wachstum und Phasenbildung von amorphem, κ- und β-Ga2O3 sowie (InxGa1-x)2O3 mittels In-vermittelter Austauschkatalyse in Abhängigkeit von Substrat, Temperatur, Oxidationsbedingungen und Wachstumsrate untersucht und das enge Fenster für die Stabilisierung der κ-Phase identifiziert. Höhere Temperaturen (>700 °C) begünstigen die β-Phase, niedrigere Temperaturen und O-reiche Bedingungen die In-Einlagerung. Das Wachstum von (-201) β-Ga₂O₃ auf α-Al₂O₃ 100°C konventioneller MBE-Temperatur demonstrierte verbesserte Kristallqualität.