Rutile-type wide and ultrawide band-gap oxide semiconductors are emerging materials for high-power electronics and deep ultraviolet optoelectronics applications. A rutile-type GeO2-SnO2 alloy (r-GexSn1–xO2) recently found is one of such materials. Herein, we report low-temperature electron transport properties of r-GexSn1−xO2 thin films with x = 0.28 and 0.41. Based on resistivity and magnetoresistance measurements, along with the theory of quantum interference, it is suggested that Efros–Shklovskii variable-range hopping, i.e., hopping over the states within the Coulomb gap, is dominant at lower temperatures (T ≤ 10 and 15 K) in both r-Ge0.41Sn0.59O2 and r-Ge0.28Sn0.72O2. The negative and positive magnetoresistances observed at low temperatures are attributable to the quantum interference and field-induced spin alignment, respectively. The magnetoresistance measurements at higher temperatures suggest that both Mott variable–range hopping and thermally activated band conduction occur at T < 100 K and that almost pure thermally activated band conduction takes place at T ≥ 150 K.

1.
J. Y.
Tsao
,
S.
Chowdhury
,
M. A.
Hollis
,
D.
Jena
,
N. M.
Johnson
,
K. A.
Jones
,
R. J.
Kaplar
,
S.
Rajan
,
C. G.
Van de Walle
,
E.
Bellotti
,
C. L.
Chua
,
R.
Collazo
,
M. E.
Coltrin
,
J. A.
Cooper
,
K. R.
Evans
,
S.
Graham
,
T. A.
Grotjohn
,
E. R.
Heller
,
M.
Higashiwaki
,
M. S.
Islam
,
P. W.
Juodawlkis
,
M. A.
Khan
,
A. D.
Koehler
,
J. H.
Leach
,
U. K.
Mishra
,
R. J.
Nemanich
,
R. C. N.
Pilawa-Podgurski
,
J. B.
Shealy
,
Z.
Sitar
,
M. J.
Tadjer
,
A. F.
Witulski
,
M.
Wraback
, and
J. A.
Simmons
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1600501
(
2018
).
2.
M. H.
Wong
,
O.
Bierwagen
,
R. J.
Kaplar
, and
H.
Umezawa
,
J. Mater. Res.
36
,
4601
(
2021
).
3.
J.
Shi
,
J.
Zhang
,
L.
Yang
,
M.
Qu
,
D. C.
Qi
, and
K. H. L.
Zhang
,
Adv. Mater.
33
,
2006230
(
2021
).
4.
M.
Stapelbroek
and
B. D.
Evans
,
Solid State Commun.
25
,
959
(
1978
).
5.
S.
Chae
,
J.
Lee
,
K. A.
Mengle
,
J. T.
Heron
, and
E.
Kioupakis
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
102104
(
2019
).
6.
C. A.
Niedermeier
,
K.
Ide
,
T.
Katase
,
H.
Hosono
, and
T.
Kamiya
,
J. Phys. Chem. C
124
,
25721
(
2020
).
7.
K.
Bushick
,
K. A.
Mengle
,
S.
Chae
, and
E.
Kioupakis
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
182104
(
2020
).
8.
S.
Chae
,
K.
Mengle
,
K.
Bushick
,
J.
Lee
,
N.
Sanders
,
Z.
Deng
,
Z.
Mi
,
P. F. P.
Poudeu
,
H.
Paik
,
J. T.
Heron
, and
E.
Kioupakis
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
260501
(
2021
).
9.
S.
Chae
,
H.
Paik
,
N. M.
Vu
,
E.
Kioupakis
, and
J. T.
Heron
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
072105
(
2020
).
10.
H.
Takane
and
K.
Kaneko
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
062104
(
2021
).
11.
G.
Deng
,
K.
Saito
,
T.
Tanaka
,
M.
Arita
, and
Q.
Guo
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
182101
(
2021
).
12.
S.
Chae
,
L. A.
Pressley
,
H.
Paik
,
J.
Gim
,
D.
Werder
,
B. H.
Goodge
,
L. F.
Kourkoutis
,
R.
Hovden
,
T. M.
McQueen
,
E.
Kioupakis
, and
J. T.
Heron
,
J. Vac. Sci. Technol. A
40
,
050401
(
2022
).
13.
G.
Deng
,
Y.
Huang
,
Z.
Chen
,
K.
Saito
,
T.
Tanaka
,
M.
Arita
, and
Q.
Guo
,
Mater. Lett.
326
,
132945
(
2022
).
14.
T.
Minami
,
Semicond. Sci. Technol.
20
,
S35
(
2005
).
15.
W.
Göpel
and
K. D.
Schierbaum
,
Sens. Actuators B
26
,
1
(
1995
).
16.
T.
Oshima
,
T.
Okuno
, and
S.
Fujita
,
Jpn. J. Appl. Phys.
48
,
120207
(
2009
).
17.
R. E.
Presley
,
C. L.
Munsee
,
C. H.
Park
,
D.
Hong
,
J. F.
Wager
, and
D. A.
Keszler
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
37
,
2810
(
2004
).
18.
G. T.
Dang
,
T.
Uchida
,
T.
Kawaharamura
,
M.
Furuta
,
A. R.
Hyndman
,
R.
Martinez
,
S.
Fujita
,
R. J.
Reeves
, and
M. W.
Allen
,
Appl. Phys. Express
9
,
041101
(
2016
).
19.
H.
Takane
,
Y.
Ota
,
T.
Wakamatsu
,
T.
Araki
,
K.
Tanaka
, and
K.
Kaneko
,
Phys. Rev. Mater.
6
,
084604
(
2022
).
20.
F.
Liu
,
T. K.
Truttmann
,
D.
Lee
,
B. E.
Matthews
,
I.
Laraib
,
A.
Janotti
,
S. R.
Spurgeon
,
S. A.
Chambers
, and
B.
Jalan
,
Commun. Mater.
3
,
69
(
2022
).
21.
Y.
Nagashima
,
M.
Fukumoto
,
M.
Tsuchii
,
Y.
Sugisawa
,
D.
Sekiba
,
T.
Hasegawa
, and
Y.
Hirose
,
Chem. Mater.
34
,
10842
(
2022
).
22.
U. K.
Mishra
,
L.
Shen
,
T. E.
Kazior
, and
Y. F.
Wu
,
Proc. IEEE
96
,
287
(
2008
).
23.
S. J.
Pearton
,
J.
Yang
,
P. H.
Cary
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
011301
(
2018
).
24.
H.
Takane
,
H.
Izumi
,
H.
Hojo
,
T.
Wakamatsu
,
K.
Tanaka
, and
K.
Kaneko
,
J. Mater. Res.
38
,
2645
(
2023
).
25.
M. E.
White
,
O.
Bierwagen
,
M. Y.
Tsai
, and
J. S.
Speck
,
J. Appl. Phys.
106
,
093704
(
2009
).
26.
M.
Fukumoto
,
S.
Nakao
,
K.
Shigematsu
,
D.
Ogawa
,
K.
Morikawa
,
Y.
Hirose
, and
T.
Hasegawa
,
Sci. Rep.
10
,
6844
(
2020
).
27.
O.
Bierwagen
and
Z.
Galazka
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
092105
(
2018
).
28.
S.
Mehraj
,
M. S.
Ansari
, and
Alimuddin
,
Thin Solid Films
589
,
57
(
2015
).
29.
A.
Ammari
,
B.
Bellal
,
N.
Zebbar
,
B.
Benrabah
, and
M.
Trari
,
Thin Solid Films
632
,
66
(
2017
).
30.
A.
Ammari
,
M.
Trari
, and
N.
Zebbar
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
89
,
97
(
2019
).
31.
T. A.
Dauzhenka
,
V. K.
Ksenevich
,
I. A.
Bashmakov
, and
J.
Galibert
,
Phys. Rev. B
83
,
165309
(
2011
).
32.
A. A.
Alsac
,
A.
Yildiz
,
T.
Serin
, and
N.
Serin
,
J. Appl. Phys.
113
,
063701
(
2013
).
33.
P.
Ágoston
,
K.
Albe
,
R. M.
Nieminen
, and
M. J.
Puska
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
245501
(
2009
).
34.
Ç.
Kılıç
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
95501
(
2002
).
35.
A. K.
Singh
,
A.
Janotti
,
M.
Scheffler
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
055502
(
2008
).
36.
P. D. C.
King
,
R. L.
Lichti
,
Y. G.
Celebi
,
J. M.
Gil
,
R. C.
Vilão
,
H. V.
Alberto
,
J.
Piroto Duarte
,
D. J.
Payne
,
R. G.
Egdell
,
I.
McKenzie
,
C. F.
McConville
,
S. F. J.
Cox
, and
T. D.
Veal
,
Phys. Rev. B
80
,
081201(R)
(
2009
).
37.
J. W.
Harrison
and
J. R.
Hauser
,
Phys. Rev. B
13
,
5347
(
1976
).
38.
E.
Bellotti
,
F.
Bertazzi
, and
M.
Goano
,
J. Appl. Phys.
101
,
123706
(
2007
).
39.
D. C.
Look
and
J. R.
Sizelove
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
1237
(
1999
).
40.
B. I.
Shklovskii
and
A. L.
Efros
,
Electronic Properties of Doped Semiconductors
(
Springer-Verlag
,
1984
).
41.
A. G.
Zabrodskii
and
K. N.
Zinov’eva
,
JETP
59
,
425
(
1984
).
42.
A. G.
Zabrodskii
,
Philos. Mag. B
81
,
1131
(
2001
).
43.
F. R.
Allen
and
C. J.
Adkins
,
Philos. Mag.
26
,
1027
(
1972
).
44.
A.
Roy
,
M.
Levy
,
M.
Guo
, and
M. P.
Sarachik
,
Phys. Rev. B
39
,
10185
(
1989
).
45.
Y.
Zhang
,
O.
Dai
,
M.
Levy
, and
M. P.
Sarachik
,
Phys. Rev. Lett.
64
,
2687
(
1990
).
46.
R.
Rosenbaum
,
Phys. Rev. B
44
,
3599
(
1991
).
47.
T. G.
Castner
and
W. N.
Shafarman
,
Phys. Rev. B
60
,
14182
(
1999
).
48.
T. G.
Castner
,
Phys. Rev. B
61
,
16596
(
2000
).
49.
J. G.
Massey
and
M.
Lee
,
Phys. Rev. B
62
,
R13270
(
2000
).
50.
A.
Yildiz
,
S. B.
Lisesivdin
,
M.
Kasap
, and
D.
Mardare
,
J. Non-Cryst. Solids
354
,
4944
(
2008
).
51.
M.
Rodríguez
,
I.
Bonalde
, and
E.
Medina
,
Phys. Rev. B
75
,
235205
(
2007
).
52.
M.
Pollak
and
B. I.
Shklovskii
,
Hopping Transport in Solids
(
Elsevier
,
1991
).
53.
N. V.
Agrinskaya
,
V. I.
Kozub
, and
D. V.
Shamshur
,
JETP
80
,
1142
(
1995
).
54.
N. V.
Agrinskaya
,
V. I.
Kozub
,
A. V.
Shumilin
, and
E.
Sobko
,
Phys. Rev. B
82
,
075201
(
2010
).
55.
A. V.
Shumilin
and
V. I.
Kozub
,
Phys. Rev. B
85
,
115203
(
2012
).
56.
B. Z.
Spivak
,
JETP
60
,
787
(
1984
).
57.
W.
Schirmacher
,
Phys. Rev. B
41
,
2461
(
1990
).
58.
M.
Jaiswal
,
W.
Wang
,
K. A. S.
Fernando
,
Y. P.
Sun
, and
R.
Menon
,
Phys. Rev. B
76
,
113401
(
2007
).
59.
R. J.
Sladek
,
J. Phys. Chem. Solids
5
,
157
(
1958
).
60.
C.
Hamaguchi
,
Basic Semiconductor Physics
(Springer International Publishing, 2017).
You do not currently have access to this content.