We report a synthetic route to achieve high electron mobility at room temperature in epitaxial La:BaSnO3/SrZrO3 heterostructures prepared on several oxide substrates. Room-temperature mobilities of 157, 145, and 143 cm2 V−1 s−1 are achieved for heterostructures grown on DyScO3 (110), MgO (001), and TbScO3 (110) crystalline substrates, respectively. This is realized by first employing pulsed laser deposition to grow at very high temperature the SrZrO3 buffer layer to reduce dislocation density in the active layer, then followed by the epitaxial growth of an overlaying La:BaSnO3 active layer by molecular-beam epitaxy. Structural properties of these heterostructures are investigated, and the extracted upper limit of threading dislocations is well below 1.0 × 10 10 cm−2 for buffered films on DyScO3, MgO, and TbScO3 substrates. The present results provide a promising route toward achieving high mobility in buffered La:BaSnO3 films prepared on most, if not all, oxide substrates with large compressive or tensile lattice mismatches to the film.

1.
H. J.
Kim
,
U.
Kim
,
H. M.
Kim
,
T. H.
Kim
,
H. S.
Mun
,
B.-G.
Jeon
,
K. T.
Hong
,
W.-J.
Lee
,
C.
Ju
,
K. H.
Kim
, and
K.
Char
,
Appl. Phys. Express
5
,
061102
(
2012
).
2.
H. J.
Kim
,
U.
Kim
,
T. H.
Kim
,
J.
Kim
,
H. M.
Kim
,
B.-G.
Jeon
,
W.-J.
Lee
,
H. S.
Mun
,
K. T.
Hong
,
J.
Yu
,
K.
Char
, and
K. H.
Kim
,
Phys. Rev. B
86
,
165205
(
2012
).
3.
K.
Fujiwara
,
K.
Nishihara
,
J.
Shiogai
, and
A.
Tsukazaki
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
203503
(
2017
).
4.
W.-J.
Lee
,
H. J.
Kim
,
J.
Kang
,
D. H.
Jang
,
T. H.
Kim
,
J. H.
Lee
, and
K. H.
Kim
,
Annu. Rev. Mater. Res.
47
,
391
(
2017
).
5.
K.
Krishnaswamy
,
L.
Bjaalie
,
B.
Himmetoglu
,
A.
Janotti
,
L.
Gordon
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
083501
(
2016
).
6.
M.
Naamneh
,
E. B.
Guedes
,
A.
Prakash
,
H. M.
Cardoso
,
M.
Shi
,
N. C.
Plumb
,
W. H.
Brito
,
B.
Jalan
, and
M.
Radović
,
Commun. Phys.
5
,
317
(
2022
).
7.
U.
Kim
,
C.
Park
,
T.
Ha
,
Y. M.
Kim
,
N.
Kim
,
C.
Ju
,
J.
Park
,
J.
Yu
,
J. H.
Kim
, and
K.
Char
,
APL Mater.
3
,
036101
(
2015
).
8.
J.
Yue
,
A.
Prakash
,
M. C.
Robbins
,
S. J.
Koester
, and
B.
Jalan
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
21061
(
2018
).
9.
J.
Cheng
,
H.
Yang
,
N. G.
Combs
,
W.
Wu
,
H.
Kim
,
H.
Chandrasekar
,
C.
Wang
,
S.
Rajan
,
S.
Stemmer
, and
W.
Lu
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
042105
(
2021
).
10.
R. A.
Bucur
,
A. I.
Bucur
,
S.
Novaconi
, and
I.
Nicoara
,
J. Alloys Compd.
542
,
142
(
2012
).
11.
J.
Park
,
H.
Paik
,
K.
Nomoto
,
K.
Lee
,
B.-E.
Park
,
B.
Grisafe
,
L.-C.
Wang
,
S.
Salahuddin
,
S.
Datta
,
Y.
Kim
,
D.
Jena
,
H. G.
Xing
, and
D. G.
Schlom
,
APL Mater.
8
,
011110
(
2020
).
12.
A. P.
Nono Tchiomo
,
E.
Carleschi
,
A. R. E.
Prinsloo
,
W.
Sigle
,
P. A.
van Aken
,
J.
Mannhart
,
P.
Ngabonziza
, and
B. P.
Doyle
,
AIP Adv.
12
,
105019
(
2022
).
13.
Z.
Wang
,
H.
Paik
,
Z.
Chen
,
D. A.
Muller
, and
D. G.
Schlom
,
APL Mater.
7
,
022520
(
2019
).
14.
H. J.
Cho
,
B.
Feng
,
T.
Onozato
,
M.
Wei
,
A. V.
Sanchela
,
Y.
Ikuhara
, and
H.
Ohta
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
094601
(
2019
).
15.
W. M.
Postiglione
,
K.
Ganguly
,
H.
Yun
,
J. S.
Jeong
,
A.
Jacobson
,
L.
Borgeson
,
B.
Jalan
,
K. A.
Mkhoyan
, and
C.
Leighton
,
Phys. Rev. Mater.
5
,
044604
(
2021
).
16.
A. V.
Sanchela
,
M.
Wei
,
H.
Zensyo
,
B.
Feng
,
J.
Lee
,
G.
Kim
,
H.
Jeen
,
Y.
Ikuhara
, and
H.
Ohta
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
232102
(
2018
).
17.
A.
Prakash
,
P.
Xu
,
A.
Faghaninia
,
S.
Shukla
,
J. W.
Ager
,
C. S.
Lo
, and
B.
Jalan
,
Nat. Commun.
8
,
15167
(
2017
).
18.
S.
Yu
,
D.
Yoon
, and
J.
Son
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
262101
(
2016
).
19.
H. J.
Cho
,
T.
Onozato
,
M.
Wei
,
A.
Sanchela
, and
H.
Ohta
,
APL Mater.
7
,
022507
(
2019
).
20.
H.
Paik
,
Z.
Chen
,
E.
Lochocki
,
A.
Seidner H
,
A.
Verma
,
N.
Tanen
,
J.
Park
,
M.
Uchida
,
S.
Shang
,
B.-C.
Zhou
,
M.
Brützam
,
R.
Uecker
,
Z.-K.
Liu
,
D.
Jena
,
K. M.
Shen
,
D. A.
Muller
, and
D. G.
Schlom
,
APL Mater.
5
,
116107
(
2017
).
21.
P. V.
Wadekar
,
J.
Alaria
,
M.
O'Sullivan
,
N. L. O.
Flack
,
T. D.
Manning
,
L. J.
Phillips
,
K.
Durose
,
O.
Lozano
,
S.
Lucas
,
J. B.
Claridge
, and
M. J.
Rosseinsky
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
052104
(
2014
).
22.
A. P.
Nono Tchiomo
,
W.
Braun
,
B. P.
Doyle
,
W.
Sigle
,
P.
van Aken
,
J.
Mannhart
, and
P.
Ngabonziza
,
APL Mater.
7
,
041119
(
2019
).
23.
Y.
He
,
R.
Wei
,
C.
Zhou
,
W.
Cheng
,
X.
Ding
,
C.
Shao
,
L.
Hu
,
W.
Song
,
X.
Zhu
, and
Y.
Sun
,
Cryst. Growth Des.
21
,
5800
(
2021
).
24.
Z.
Lebens-Higgins
,
D. O.
Scanlon
,
H.
Paik
,
S.
Sallis
,
Y.
Nie
,
M.
Uchida
,
N. F.
Quackenbush
,
M. J.
Wahila
,
G. E.
Sterbinsky
,
D. A.
Arena
,
J. C.
Woicik
,
D. G.
Schlom
, and
L. F. J.
Piper
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
027602
(
2016
).
25.
R.
Zhang
,
X.
Li
,
J.
Bi
,
S.
Zhang
,
S.
Peng
,
Y.
Song
,
Q.
Zhang
,
L.
Gu
,
J.
Duan
, and
Y.
Cao
,
APL Mater.
9
,
061103
(
2021
).
26.
T.
Murauskas
,
V.
Kubilius
,
M.
Talaikis
,
A.
Abrutis
,
R.
Raudonis
,
G.
Niaura
, and
V.
Plausinaitiene
,
J. Alloys Compd.
898
,
162843
(
2022
).
27.
J.
Shiogai
,
K.
Nishihara
,
K.
Sato
, and
A.
Tsukazaki
,
AIP Adv.
6
,
065305
(
2016
).
28.
K.
Eom
,
H.
Paik
,
J.
Seo
,
N.
Campbell
,
E. Y.
Tsymbal
,
S. H.
Oh
,
M. S.
Rzchowski
,
D. G.
Schlom
, and
C.-B.
Eom
,
Adv. Sci.
9
,
2105652
(
2022
).
29.
J.
Kang
,
J. H.
Lee
,
H.-K.
Lee
,
K.-T.
Kim
,
J. H.
Kim
,
M.-J.
Maeng
,
J.-A.
Hong
,
Y.
Park
, and
K. H.
Kim
,
Materials
15
,
2417
(
2022
).
30.
T. M.
Gesing
,
R.
Uecker
, and
J.-C.
Buhl
,
Kristallogr. NCS
224
,
365
(
2009
).
31.
W. Y.
Wang
,
Y. L.
Tang
,
Y. L.
Zhu
,
J.
Suriyaprakash
,
Y. B.
Xu
,
Y.
Liu
,
B.
Gao
,
S.-W.
Cheong
, and
X. L.
Ma
,
Sci. Rep.
5
,
16097
(
2015
).
32.
S.
Raghavan
,
T.
Schumann
,
H.
Kim
,
J. Y.
Zhang
,
T. A.
Cain
, and
S.
Stemmer
,
APL Mater.
4
,
016106
(
2016
).
33.
J.
Shin
,
Y. M.
Kim
,
Y.
Kim
,
C.
Park
, and
K.
Char
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
262102
(
2016
).
34.
K.
Fujiwara
,
K.
Nishihara
,
J.
Shiogai
, and
A.
Tsukazaki
,
AIP Advances
6
,
085014
(
2016
).
35.
W.-J.
Lee
,
H. J.
Kim
,
E.
Sohn
,
T. H.
Kim
,
J.-Y.
Park
,
W.
Park
,
H.
Jeong
,
T.
Lee
,
J. H.
Kim
,
K.-Y.
Choi
, and
K. H.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
082105
(
2016
).
36.
D.
Yoon
,
S.
Yu
, and
J.
Son
,
NPG Asia Mater.
10
,
363
(
2018
).
37.
A.
Prakash
,
P.
Xu
,
X.
Wu
,
G.
Haugstad
,
X.
Wang
, and
B.
Jalan
,
J. Mater. Chem. C
5
,
5730
(
2017
).
38.
W.
Braun
,
M.
Jäger
,
G.
Laskin
,
P.
Ngabonziza
,
W.
Voesch
,
P.
Wittlich
, and
J.
Mannhart
,
APL Mater.
8
,
071112
(
2020
).
39.
S.
Luo
,
B. C.
Riggs
,
X.
Zhang
,
J. T.
Shipman
,
S.
Adireddy
,
S. C.
Sklare
,
B.
Koplitz
, and
D. B.
Chrisey
,
J. Appl. Phys.
118
,
035310
(
2015
).
40.
After their epitaxial growth by PLD, the high-temperature-grown SrZrO3 layers were shipped under ambient conditions for the subsequent MBE growth of the overlying La:BaSnO3 active layers. Despite an extended exposure of SrZrO3 buffer layers to ambient conditions, the extracted density of TDs is still very low, thus highlighting the stability and robustness of the high-temperature-grown SrZrO3 buffer layers as a suitable template for subsequent growth of low defect density, high mobility La:BaSnO3 films.
41.
H.
Mun
,
U.
Kim
,
H.
Min Kim
,
C.
Park
,
T.
Hoon Kim
,
H.
Joon Kim
,
K.
Hoon Kim
, and
K.
Char
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
252105
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.