Complementary time-resolved photoluminescence and positron annihilation measurements were carried out at room temperature on Mg-doped p-type GaN homoepitaxial films for identifying the origin and estimating the electron capture-cross-section (σn) of the major nonradiative recombination centers (NRCs). To eliminate any influence by threading dislocations, free-standing GaN substrates were used. In Mg-doped p-type GaN, defect complexes composed of a Ga-vacancy (VGa) and multiple N-vacancies (VNs), namely, VGa(VN)2 [or even VGa(VN)3], are identified as the major intrinsic NRCs. Different from the case of 4H-SiC, atomic structures of intrinsic NRCs in p-type and n-type GaN are different: VGaVN divacancies are the major NRCs in n-type GaN. The σn value approximately the middle of 10−13 cm2 is obtained for VGa(VN)n, which is larger than the hole capture-cross-section (σp = 7 × 10−14 cm2) of VGaVN in n-type GaN. Combined with larger thermal velocity of an electron, minority carrier lifetime in Mg-doped GaN becomes much shorter than that of n-type GaN.

1.
S. J.
Pearton
,
J. C.
Zolper
,
R. J.
Shul
, and
F.
Ren
,
J. Appl. Phys.
86
,
1
(
1999
).
2.
Y.
Saitoh
,
K.
Sumiyoshi
,
M.
Okada
,
T.
Horii
,
T.
Miyazaki
,
H.
Shiomi
,
M.
Ueno
,
K.
Katayama
,
M.
Kiyama
, and
T.
Nakamura
,
Appl. Phys. Express
3
,
081001
(
2010
).
3.
J.
Kolník
,
İH.
Oğuzman
,
K. F.
Brennan
,
R.
Wang
,
P. P.
Ruden
, and
Y.
Wang
,
J. Appl. Phys.
78
,
1033
(
1995
).
4.
D.
Shibata
,
R.
Kajitani
,
M.
Ogawa
,
K.
Tanaka
,
S.
Tamura
,
T.
Hatsuda
,
M.
Ishida
, and
T.
Ueda
, in
IEDM Technical Digest
(
2016
), p.
248
.
5.
F.
Ren
,
M.
Hong
,
S. N. G.
Chu
,
M. A.
Marcus
,
M. J.
Schurman
,
A.
Baca
,
S. J.
Pearton
, and
C. R.
Abernathy
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
3893
(
1998
).
6.
Y.
Irokawa
,
Y.
Nakano
,
M.
Ishiko
,
T.
Kachi
,
J.
Kim
,
F.
Ren
,
B. P.
Gila
,
A. H.
Onstine
,
C. R.
Abernathy
,
S. J.
Pearton
,
C. C.
Pan
,
G. T.
Chen
, and
J. I.
Chyi
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
2919
(
2004
).
7.
S.
Chowdhury
,
B. L.
Swenson
, and
U. K.
Mishra
,
IEEE Electron Device Lett.
29
,
543
(
2008
).
8.
J. I.
Pankove
and
J. A.
Hutchby
,
J. Appl. Phys.
47
,
5387
(
1976
).
9.
M.
Rubin
,
N.
Newman
,
J. S.
Chan
,
T. C.
Fu
, and
J. T.
Ross
,
Appl. Phys. Lett.
64
,
64
(
1994
).
10.
S. J.
Pearton
,
C. B.
Vartuli
,
J. C.
Zolper
,
C.
Yuan
, and
R. A.
Stall
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
1435
(
1995
).
11.
H.
Kobayashi
and
W. M.
Gibson
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
2355
(
1999
).
12.
M.
Kuball
,
J. M.
Hayes
,
T.
Suski
,
J.
Jun
,
M.
Leszczynski
,
J.
Domagala
,
H. H.
Tan
,
J. S.
Williams
, and
C.
Jagadish
,
J. Appl. Phys.
87
,
2736
(
2000
).
13.
Y.
Nakano
and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1468
(
2001
).
14.
B. N.
Feigelson
,
T. J.
Anderson
,
M.
Abraham
,
J. A.
Freitas
,
J. K.
Hite
,
C. R.
Eddy
, and
F. J.
Kub
,
J. Cryst. Growth
350
,
21
(
2012
).
15.
T.
Oikawa
,
Y.
Saijo
,
S.
Kato
,
T.
Mishima
, and
T.
Nakamura
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
365
,
168
(
2015
).
16.
T.
Narita
,
T.
Kachi
,
K.
Kataoka
, and
T.
Uesugi
,
Appl. Phys. Express
10
,
016501
(
2017
).
17.
T.
Niwa
,
T.
Fujii
, and
T.
Oka
,
Appl. Phys. Express
10
,
091002
(
2017
).
18.
S.
Takashima
,
K.
Ueno
,
R.
Tanaka
,
H.
Matsuyama
,
M.
Edo
, and
K.
Nakagawa
, in
Extended Abstracts of the 2017 International Conference on Solid State Devices and Materials
, Sendai (
2017
), pp.
1075
1076
.
19.
S. F.
Chichibu
,
A.
Uedono
,
T.
Onuma
,
T.
Sota
,
B. A.
Haskell
,
S. P.
DenBaars
,
J. S.
Speck
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
021914
(
2005
).
20.
S. F.
Chichibu
,
K.
Hazu
,
Y.
Ishikawa
,
M.
Tashiro
,
H.
Namita
,
S.
Nagao
,
K.
Fujito
, and
A.
Uedono
,
J. Appl. Phys.
111
,
103518
(
2012
).
21.
S. F.
Chichibu
,
A.
Uedono
,
K.
Kojima
,
H.
Ikeda
,
K.
Fujito
,
S.
Takashima
,
M.
Edo
,
K.
Ueno
, and
S.
Ishibashi
,
J. Appl. Phys.
123
,
161413
(
2018
).
22.
R.
Krause-Rehberg
and
H. S.
Leipner
,
Positron Annihilation in Semiconductors
(
Springer-Verlag
,
Berlin
,
1999
), Vol.
127
.
23.
A.
Uedono
,
S. F.
Chichibu
,
Z. Q.
Chen
,
M.
Sumiya
,
R.
Suzuki
,
T.
Ohdaira
,
T.
Mikado
,
T.
Mukai
, and
S.
Nakamura
,
J. Appl. Phys.
90
,
181
(
2001
).
24.
F.
Tuomisto
and
I.
Makkonen
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
1583
(
2013
).
25.
A.
Uedono
,
S.
Ishibashi
,
T.
Ohdaira
, and
R.
Suzuki
,
J. Cryst. Growth
311
,
3075
(
2009
).
26.
S. F.
Chichibu
,
K.
Kojima
,
A.
Uedono
, and
Y.
Sato
,
Adv. Mater.
29
,
1603644
(
2017
).
27.
K.
Kawakami
,
T.
Nakano
, and
A. A.
Yamaguchi
,
Proc. SPIE
9748
,
97480S
(
2016
).
28.
A.
Uedono
,
S.
Takashima
,
M.
Edo
,
K.
Ueno
,
H.
Matsuyama
,
H.
Kudo
,
H.
Naramoto
, and
S.
Ishibashi
,
Phys. Status Solidi B
252
,
2794
(
2015
).
29.
A.
Uedono
,
S.
Takashima
,
M.
Edo
,
K.
Ueno
,
H.
Matsuyama
,
W.
Egger
,
T.
Koschine
,
C.
Hugenschmidt
,
M.
Dickmann
,
K.
Kojima
,
S. F.
Chichibu
, and
S.
Ishibashi
,
Phys. Status Solidi B
255
,
1700521
(
2018
).
30.
M. A.
Reshchikov
and
H.
Morkoç
,
J. Appl. Phys.
97
,
061301
(
2005
).
31.
K.
Kojima
,
S.
Takashima
,
M.
Edo
,
K.
Ueno
,
M.
Shimizu
,
T.
Takahashi
,
S.
Ishibashi
,
A.
Uedono
, and
S. F.
Chichibu
,
Appl. Phys. Express
10
,
061002
(
2017
).
32.
M. A.
Reshchikov
,
D. O.
Demchenko
,
J. D.
McNamara
,
S. F.
Carrido
, and
R.
Calarco
,
Phys. Rev. B
90
,
035207
(
2014
).
33.
For example, see
K.
Fujito
,
S.
Kubo
,
H.
Nagaoka
,
T.
Mochizuki
,
H.
Namita
, and
S.
Nagao
,
J. Cryst. Growth
311
,
3011
(
2009
).
34.
T.
Ogino
and
M.
Aoki
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
19
,
2395
(
1980
).
35.
J.
Neugebauer
and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
50
,
8067(R)
(
1994
);
J.
Neugebauer
and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
503
(
1996
);
C. G.
Van de Walle
and
J.
Neugebauer
,
J. Appl. Phys.
95
,
3851
(
2004
).
36.
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
152108
(
2010
).
37.
M.
Horita
,
S.
Takashima
,
R.
Tanaka
,
H.
Matsuyama
,
K.
Ueno
,
M.
Edo
,
T.
Takahashi
,
M.
Shimizu
, and
J.
Suda
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
031001
(
2017
).
38.
K.
Kojima
,
Y.
Tsukada
,
E.
Furukawa
,
M.
Saito
,
Y.
Mikawa
,
S.
Kubo
,
H.
Ikeda
,
K.
Fujito
,
A.
Uedono
, and
S. F.
Chichibu
,
Appl. Phys. Express
8
,
095501
(
2015
);
K.
Kojima
,
Y.
Tsukada
,
E.
Furukawa
,
M.
Saito
,
Y.
Mikawa
,
S.
Kubo
,
H.
Ikeda
,
K.
Fujito
,
A.
Uedono
, and
S. F.
Chichibu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
05FA03
(
2016
).
You do not currently have access to this content.