The wide-gap semiconducting perovskite BaSnO3 has attracted attention since the discovery of outstanding mobility at high electron densities, spurred on by potential applications in oxide, transparent, and power electronics. Despite progress, much remains to be understood in terms of mobility-limiting scattering in BaSnO3 thin films and thus mobility optimization. Here, we apply solid-state ion-gel-based electrolyte gating to electrostatically control electron density over a wide range (1018 cm−3 to >1020 cm−3) in BaSnO3 films. Temperature- and gate-voltage-dependent transport data then probe scattering mechanisms and mobility vs electron density alone, independently of sample-to-sample defect density variations. This is done on molecular-beam-epitaxy- and sputter-deposited films as a function of thickness, initial chemical doping, and initial mobility. Remarkably universal behavior occurs, the mobility first increasing with electron density to ∼1020 cm−3 before decreasing slightly. This trend is quantitatively analyzed at cryogenic and room temperatures using analytical models for phonon, ionized impurity, charged dislocation, surface/interface roughness, and electrolyte-induced scattering. The mobility maximum is thus understood to arise from competition between charged impurity/dislocation scattering and electrolyte scattering. The gate-voltage-induced mobility enhancement is found as large as 2000%, realizing 300 K mobility up to 140 cm2 V−1 s−1. This work thus significantly advances the understanding of mobility-limiting scattering processes in BaSnO3, resulting in outstanding room temperature mobilities.

中文翻译：

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通过电解质门控探测外延 BaSnO3 薄膜的散射机制和迁移率增强

自从发现高电子密度下的出色迁移率以来，宽隙半导体钙钛矿 BaSnO3 就受到了关注，这受到氧化物、透明和电力电子领域的潜在应用的推动。尽管取得了进展，但在 BaSnO3 薄膜中的迁移率限制散射以及迁移率优化方面仍有许多需要了解。在这里，我们应用基于固态离子凝胶的电解质门控以静电控制 BaSnO3 薄膜中宽范围（1018 cm-3 至 >1020 cm-3）的电子密度。温度和栅极电压相关的传输数据然后单独探测散射机制和迁移率与电子密度的关系，独立于样品到样品的缺陷密度变化。这是在分子束外延和溅射沉积薄膜上完成的，作为厚度、初始化学掺杂、和初始流动性。发生了显着的普遍行为，迁移率首先随着电子密度增加到~1020 cm-3，然后略有下降。使用声子、电离杂质、带电位错、表面/界面粗糙度和电解质引起的散射的分析模型，在低温和室温下对这种趋势进行定量分析。因此，迁移率最大值被理解为来自带电杂质/位错散射和电解质散射之间的竞争。发现栅极电压引起的迁移率增强高达 2000%，实现高达 140 cm2 V-1 s-1 的 300 K 迁移率。因此，这项工作显着提高了对 BaSnO3 中迁移率限制散射过程的理解，从而产生了出色的室温迁移率。迁移率首先随着电子密度增加到~1020 cm-3，然后略有下降。使用声子、电离杂质、带电位错、表面/界面粗糙度和电解质引起的散射的分析模型，在低温和室温下对这种趋势进行定量分析。因此，迁移率最大值被理解为来自带电杂质/位错散射和电解质散射之间的竞争。发现栅极电压引起的迁移率增强高达 2000%，实现高达 140 cm2 V-1 s-1 的 300 K 迁移率。因此，这项工作显着提高了对 BaSnO3 中迁移率限制散射过程的理解，从而产生了出色的室温迁移率。迁移率首先随着电子密度增加到~1020 cm-3，然后略有下降。使用声子、电离杂质、带电位错、表面/界面粗糙度和电解质引起的散射的分析模型，在低温和室温下对这种趋势进行定量分析。因此，迁移率最大值被理解为来自带电杂质/位错散射和电解质散射之间的竞争。发现栅极电压引起的迁移率增强高达 2000%，实现高达 140 cm2 V-1 s-1 的 300 K 迁移率。因此，这项工作显着提高了对 BaSnO3 中迁移率限制散射过程的理解，从而产生了出色的室温迁移率。使用声子、电离杂质、带电位错、表面/界面粗糙度和电解质引起的散射的分析模型，在低温和室温下对这种趋势进行定量分析。因此，迁移率最大值被理解为来自带电杂质/位错散射和电解质散射之间的竞争。发现栅极电压引起的迁移率增强高达 2000%，实现高达 140 cm2 V-1 s-1 的 300 K 迁移率。因此，这项工作显着提高了对 BaSnO3 中迁移率限制散射过程的理解，从而产生了出色的室温迁移率。使用声子、电离杂质、带电位错、表面/界面粗糙度和电解质引起的散射的分析模型，在低温和室温下对这种趋势进行定量分析。因此，迁移率最大值被理解为来自带电杂质/位错散射和电解质散射之间的竞争。发现栅极电压引起的迁移率增强高达 2000%，实现高达 140 cm2 V-1 s-1 的 300 K 迁移率。因此，这项工作显着提高了对 BaSnO3 中迁移率限制散射过程的理解，从而产生了出色的室温迁移率。因此，迁移率最大值被理解为来自带电杂质/位错散射和电解质散射之间的竞争。发现栅极电压引起的迁移率增强高达 2000%，实现高达 140 cm2 V-1 s-1 的 300 K 迁移率。因此，这项工作显着提高了对 BaSnO3 中迁移率限制散射过程的理解，从而产生了出色的室温迁移率。因此，迁移率最大值被理解为来自带电杂质/位错散射和电解质散射之间的竞争。发现栅极电压引起的迁移率增强高达 2000%，实现高达 140 cm2 V-1 s-1 的 300 K 迁移率。因此，这项工作显着提高了对 BaSnO3 中迁移率限制散射过程的理解，从而产生了出色的室温迁移率。