Novel (M,Ga)2O3 thin films for two-dimensional electron gas devices

GO2DEVICE-prosjektet har som mål å bidra til utviklingen av nye komponenter for bruk innenfor kraftelektronikk. Kraftelektronikk spiller en avgjørende rolle for omforming, distribusjon og lagring av energi, og er helt nødvendig for at fornybare energikilder, f.eks. vindkraft, skal kunne tas i bruk. Dagens silisiumbaserte komponenter har nådd et utviklingsstadie der materialets fundamentale egenskaper begynner å sette begrensinger for videre utvikling. Det jobbes derfor med å utvikle nye materialer som kan dekke inn behovet som forventes for fremtidens bærekraftige energisystemer. En av kandidatene er galliumoksid (Ga2O3): en halvleder som har et stort båndgap og som tåler høyere spenning før det bryter sammen. Dette kan gi komponenter som er mindre, raskere og i stand til å fungere ved høyere spenninger og temperaturer. I GO2DEVICE-prosjektet skal vi studere en spesiell variant av Ga2O3, den såkalte kappa-fasen. Teoretiske beregninger tyder på at båndstrukturen (noe av det som er med på å definere en halvleders egenskaper) til kappa-fasen kan gjøre det mulig å oppnå såkalt 2D elektrongass (2DEG). 2DEG er grenseflater der elektroner kan bevege seg uten motstand. Ved å delvis bytte ut gallium med indium eller aluminium, er målet å skreddersy materialegenskapene slik at det blir mulig å lage spesielle transistorer kalt "high electron mobility transistors" (HEMT) basert på Ga2O3. Dette vil kreve god forståelse av de strukturelle og elektriske egenskapene. I GO2DEVICE-prosjektet vil vi bruke avansert materialkarakterisering og modellering for å utvikle nye materialer i et tett internasjonalt samarbeid. I 2022 har vi gjennomført to XPS-eksperimenter på internasjonale synkrotroninfrastrukturer (BESSYII i Tyskland og MAXIV i Sverige) på leting etter spor av 2DEG. PhD-studenten har fått akseptert sin første artikkel, og det har endelig vært mulig å delta med faglige presentasjoner på internasjonale konferanser. I 2023 har vi jobbet videre med analyse av data fra synkrotroneksperimentene som ble utført i 2022 og supplert med flere undersøkelser i hjemmelaben. PhD-studenten har publisert arbeid som kaster lys over såkalte defektnivåer i kappa-Ga2O3, som avgjørende å ha kontroll på hvis materialet skal brukes i elektronikk.

In the GO2DEVICE project, fabrication of a high-electron-mobility transistor (HEMT) based on novel (M,Ga)2O3 thin film heterostructures will be pursued (M = Al, In). (M,Ga)2O3, which is a wide bandgap semiconductor, has recently been stabilised in an orthorhombic phase (k) for Mx=In up to x = ~0.35. Large spontaneous polarization has been predicted for the k-phase, suggesting that interface-localized two-dimensional electron gas (2DEG) can be achieved in substantial concentrations. The precise tailoring of properties, e.g., bandgap and carrier concentrations, enabled by (M,Ga)2O3 alloying, provide a wide parameter space for device development and optimization. To accomplish a working prototype, however, close control of structural and electronic properties is of paramount importance. In the GO2DEVICE project, advanced materials characterization and modeling will provide input to the materials synthesis in a close international collaboration between young and accomplished scientists. Synthesis of good-quality epitaxial layers with strain engineered interfaces will be aided by transmission electron microscopy (TEM). The band structure of k-(M,Ga)2O3 as a function of composition will be investigated by photoemission spectroscopy (PES) techniques, such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and angular resolved PES with high spatial resolution (micro-ARPES), aided by density functional theory (DFT) calculations. The PES measurements, together with charge transport investigations, will play a crucial role in the device design process. The ambition of the GO2DEVICE project is to establish a complimentary framework for knowledge-based device design and fabrication, all the way from state-of-the-art fundamental science to working prototype device. If successful, the development of a high-electron-mobility transistor (HEMT) device based on k-phase (M,Ga)2O3 thin film heterostructures will represent a breakthrough for Ga2O3 electronics.