β-Ga2O3 is attracting considerable attention for applications in power electronics and deep ultraviolet (DUV) optoelectronics owing to the ultra-wide bandgap of 4.85 eV and amendable n-type conductivity. In this work, we report the achievement of Si-doped β-Ga2O3 (Si:β-Ga2O3) thin films grown on vicinal α-Al2O3 (0001) substrates with high electrical conductivity and DUV transparency of promising potential as transparent electrodes. The use of Al2O3 substrates with miscut angles promotes step-flow growth mode, leading to substantial improvement of crystalline quality and electrical properties of the Si:β-Ga2O3 films. A high conductivity of 37 S·cm−1 and average DUV transparency of 85% have been achieved for 0.5% Si-doped film grown on a 6° miscut substrate. High-resolution x-ray and ultraviolet photoemission spectroscopy were further used to elucidate the surface electronic properties of the grown Si:β-Ga2O3 films. An upward surface band bending was found at the surface region of Si:β-Ga2O3 films. Interestingly, all the Si:β-Ga2O3 films have a very low work function of approximately 3.3 eV, which makes Si:β-Ga2O3 suitable materials for efficient electron injection. The present Si:β-Ga2O3 films with high conductivity, DUV transparency, and low work function would be useful as the DUV transparent electrode to develop advanced DUV optoelectronic devices.

1.
H.
Hosono
,
Thin Solid Films
515
,
6000
(
2007
).
2.
H.
Hirayama
,
N.
Maeda
,
S.
Fujikawa
,
S.
Toyoda
, and
N.
Kamata
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
,
100209
(
2014
).
3.
M.
Wei
,
L.
Gong
,
D. D.
Liang
,
H. J.
Cho
, and
H.
Ohta
,
Adv. Electron. Mater.
6
,
2000100
(
2020
).
4.
Y.
Nagashima
,
M.
Fukumoto
,
M.
Tsuchii
,
Y.
Sugisawa
,
D.
Sekiba
,
T.
Hasegawa
, and
Y.
Hirose
,
Chem. Mater.
34
,
10842
(
2022
).
5.
S.
Liu
,
W.
Luo
,
D.
Li
,
Y.
Yuan
,
W.
Tong
,
J.
Kang
,
Y.
Wang
,
D.
Li
,
X.
Rong
,
T.
Wang
,
Z.
Chen
,
Y.
Li
,
H.
Wang
,
W.
Wang
,
J.
Hoo
,
L.
Yan
,
S.
Guo
,
B.
Shen
,
Z.
Cong
, and
X.
Wang
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2008452
(
2021
).
6.
G.
Matafonova
and
V.
Batoev
,
Water Res.
132
,
177
(
2018
).
7.
M.
Kneissl
,
T.-Y.
Seong
,
J.
Han
, and
H.
Amano
,
Nat. Photonics
13
,
233
(
2019
).
8.
H.-D.
Kim
,
H.-M.
An
,
K. H.
Kim
,
S. J.
Kim
,
C. S.
Kim
,
J.
Cho
,
E. F.
Schubert
, and
T. G.
Kim
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
1575
(
2014
).
9.
J.
Zhang
,
J.
Shi
,
D.-C.
Qi
,
L.
Chen
, and
K. H. L.
Zhang
,
APL Mater.
8
,
020906
(
2020
).
10.
Z.
Feng
,
A. F. M.
Anhar Uddin Bhuiyan
,
M. R.
Karim
, and
H.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
250601
(
2019
).
11.
H. M.
Jeon
,
K. D.
Leedy
,
D. C.
Look
,
C. S.
Chang
,
D. A.
Muller
,
S. C.
Badescu
,
V.
Vasilyev
,
J. L.
Brown
,
A. J.
Green
, and
K. D.
Chabak
,
APL Mater.
9
,
101105
(
2021
).
12.
J.
Zhang
,
J.
Willis
,
Z.
Yang
,
Z.
Sheng
,
L.-S.
Wang
,
T.-L.
Lee
,
L.
Chen
,
D. O.
Scanlon
, and
K. H. L.
Zhang
,
Cell Rep. Sci.
3
,
100801
(
2022
).
13.
J.
Zhang
,
J.
Willis
,
Z.
Yang
,
Z.
Sheng
,
L.-S.
Wang
,
T.-L.
Lee
,
L.
Chen
,
D. O.
Scanlon
, and
K. H. L.
Zhang
,
Phys. Rev. B
106
,
205305
(
2022
).
14.
K. N.
Heinselman
,
D.
Haven
,
A.
Zakutayev
, and
S. B.
Reese
,
Cryst. Growth Des.
22
,
4854
(
2022
).
15.
Z.
Guo
,
A.
Verma
,
X.
Wu
,
F.
Sun
,
A.
Hickman
,
T.
Masui
,
A.
Kuramata
,
M.
Higashiwaki
,
D.
Jena
, and
T.
Luo
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
111909
(
2015
).
16.
T.-C.
Hsu
,
Y.-T.
Teng
,
Y.-W.
Yeh
,
X.
Fan
,
K.-H.
Chu
,
S.-H.
Lin
,
K.-K.
Yeh
,
P.-T.
Lee
,
Y.
Lin
,
Z.
Chen
,
T.
Wu
, and
H.-C.
Kuo
,
Photonics
8
,
196
(
2021
).
17.
Y.
Nagasawa
and
A.
Hirano
,
Appl. Sci.
8
,
1264
(
2018
).
18.
Y.
Chen
,
H.
Liang
,
X.
Xia
,
P.
Tao
,
R.
Shen
,
Y.
Liu
,
Y.
Feng
,
Y.
Zheng
,
X.
Li
, and
G.
Du
,
J. Mater. Sci.
26
,
3231
(
2015
).
19.
Y.
Li
,
X.
Xiu
,
W.
Xu
,
L.
Zhang
,
Z.
Xie
,
T.
Tao
,
P.
Chen
,
B.
Liu
,
R.
Zhang
, and
Y.
Zheng
,
J. Phys. D
54
,
014003
(
2021
).
20.
M.
Orita
,
H.
Ohta
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
4166
(
2000
).
21.
F.
Zhang
,
M.
Arita
,
X.
Wang
,
Z.
Chen
,
K.
Saito
,
T.
Tanaka
,
M.
Nishio
,
T.
Motooka
, and
Q.
Guo
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
102105
(
2016
).
22.
M.
Orita
,
H.
Hiramatsu
,
H.
Ohta
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Thin Solid Films
411
,
134
(
2002
).
23.
S.
Rafique
,
L.
Han
,
A. T.
Neal
,
S.
Mou
,
J.
Boeckl
, and
H.
Zhao
,
Phys. Status Solidi A
215
,
1700467
(
2018
).
24.
S.
Bin Anooz
,
R.
Grüneberg
,
C.
Wouters
,
R.
Schewski
,
M.
Albrecht
,
A.
Fiedler
,
K.
Irmscher
,
Z.
Galazka
,
W.
Miller
,
G.
Wagner
,
J.
Schwarzkopf
, and
A.
Popp
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
182106
(
2020
).
25.
P.
Mazzolini
,
A.
Falkenstein
,
Z.
Galazka
,
M.
Martin
, and
O.
Bierwagen
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
222105
(
2020
).
26.
R.
Schewski
,
K.
Lion
,
A.
Fiedler
,
C.
Wouters
,
A.
Popp
,
S. V.
Levchenko
,
T.
Schulz
,
M.
Schmidbauer
,
S.
Bin Anooz
,
R.
Grüneberg
,
Z.
Galazka
,
G.
Wagner
,
K.
Irmscher
,
M.
Scheffler
,
C.
Draxl
, and
M.
Albrecht
,
APL Mater.
7
,
022515
(
2019
).
27.
H.
Li
,
Y.
Wang
,
J.
Cao
,
Y.
Qi
,
J.
Yu
,
Z.
Dong
,
J.
Shen
,
S.
Li
,
Y.
Jiang
,
W.
Tang
, and
Z.
Wu
,
J. Alloys Compd.
877
,
160143
(
2021
).
28.
H.
Sun
,
S.
Mitra
,
R. C.
Subedi
,
Y.
Zhang
,
W.
Guo
,
J.
Ye
,
M. K.
Shakfa
,
T. K.
Ng
,
B. S.
Ooi
,
I. S.
Roqan
,
Z.
Zhang
,
J.
Dai
,
C.
Chen
, and
S.
Long
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1905445
(
2019
).
29.
Y. J.
Ma
,
X. D.
Zhang
,
B. Y.
Feng
,
W. B.
Tang
,
T. W.
Chen
,
H.
Qian
,
L.
Zhang
,
X.
Zhou
,
X.
Wei
,
K.
Xu
,
H. Q.
Fu
, and
B. S.
Zhang
,
Vacuum
198
,
110886
(
2022
).
30.
V.
Gottschalch
,
K.
Mergenthaler
,
G.
Wagner
,
J.
Bauer
,
H.
Paetzelt
,
C.
Sturm
, and
U.
Teschner
,
Phys. Status Solidi A
206
,
243
(
2009
).
31.
R.
Schewski
,
M.
Baldini
,
K.
Irmscher
,
A.
Fiedler
,
T.
Markurt
,
B.
Neuschulz
,
T.
Remmele
,
T.
Schulz
,
G.
Wagner
,
Z.
Galazka
, and
M.
Albrecht
,
J. Appl. Phys.
120
,
225308
(
2016
).
32.
D. L.
Wood
and
J.
Tauc
,
Phys. Rev. B
5
,
3144
(
1972
).
33.
E. A.
Davis
and
N. F.
Mott
,
Philos. Mag.
22
,
0903
(
1970
).
34.
A.
Walsh
,
J. L. F.
Da Silva
, and
S.-H.
Wei
,
Phys. Rev. B
78
,
075211
(
2008
).
35.
J. E. N.
Swallow
,
J. B.
Varley
,
L. A. H.
Jones
,
J. T.
Gibbon
,
L. F. J.
Piper
,
V. R.
Dhanak
, and
T. D.
Veal
,
APL Mater.
7
,
022528
(
2019
).
36.
Y.
Imazeki
,
M.
Sato
,
T.
Takeda
,
M.
Kobayashi
,
S.
Yamamoto
,
I.
Matsuda
,
J.
Yoshinobu
,
M.
Sugiyama
, and
Y.
Nakano
,
J. Phys. Chem. C
125
,
9011
(
2021
).
37.
S.
Ghosh
,
M.
Baral
,
R.
Kamparath
,
S. D.
Singh
, and
T.
Ganguli
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
251603
(
2019
).
38.
H.
Sun
,
C. G.
Torres Castanedo
,
K.
Liu
,
K.-H.
Li
,
W.
Guo
,
R.
Lin
,
X.
Liu
,
J.
Li
, and
X.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
162105
(
2017
).
39.
S. K.
Vasheghani Farahani
,
T. D.
Veal
,
J. J.
Mudd
,
D. O.
Scanlon
,
G. W.
Watson
,
O.
Bierwagen
,
M. E.
White
,
J. S.
Speck
, and
C. F.
McConville
,
Phys. Rev. B
90
,
155413
(
2014
).
40.
K. H.
Zhang
,
R. G.
Egdell
,
F.
Offi
,
S.
Iacobucci
,
L.
Petaccia
,
S.
Gorovikov
, and
P. D.
King
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
056803
(
2013
).
41.
P. D. C.
King
,
T. D.
Veal
,
F.
Fuchs
,
C. Y.
Wang
,
D. J.
Payne
,
A.
Bourlange
,
H.
Zhang
,
G. R.
Bell
,
V.
Cimalla
,
O.
Ambacher
,
R. G.
Egdell
,
F.
Bechstedt
, and
C. F.
McConville
,
Phys. Rev. B
79
,
205211
(
2009
).
42.
Y.
Sato
,
T.
Ashida
,
N.
Oka
, and
Y.
Shigesato
,
Appl. Phys. Express
3
,
061101
(
2010
).
43.
C. A.
Pan
and
T. P.
Ma
,
Appl. Phys. Lett.
37
,
714
(
1980
).
44.
K.
Rachut
,
C.
Körber
,
J.
Brötz
, and
A.
Klein
,
Phys. Status Solidi A
211
,
1997
(
2014
).
45.
G. C. J.
Szuber
,
R.
Larciprete
, and
B.
Adamowicz
,
Sens. Actuators, B
70
,
177
(
2000
).
46.
Y.
Zhou
,
C.
Fuentes-Hernandez
,
J.
Shim
,
J.
Meyer
,
A. J.
Giordano
,
H.
Li
,
P.
Winget
,
T.
Papadopoulos
,
H.
Cheun
,
J.
Kim
,
M.
Fenoll
,
A.
Dindar
,
W.
Haske
,
E.
Najafabadi
,
T. M.
Khan
,
H.
Sojoudi
,
S.
Barlow
,
S.
Graham
,
J.-L.
Brédas
,
S. R.
Marder
,
A.
Kahn
, and
B.
Kippelen
,
Science
336
,
327
(
2012
).
47.
F.
Zhang
,
K.
Saito
,
T.
Tanaka
,
M.
Nishio
, and
Q.
Guo
,
J. Mater. Sci.
26
,
9624
(
2015
).
48.
S.
Khartsev
,
N.
Nordell
,
M.
Hammar
,
J.
Purans
, and
A.
Hallén
,
Phys. Status Solidi B
258
,
2000362
(
2021
).
49.
Y.
Zhu
,
D.
Zhang
,
W.
Zheng
, and
F.
Huang
,
J. Phys. Chem. C
124
,
16722
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.