Deep acceptor doping of β-Ga2O3 with Mg and N was demonstrated by implantation of the impurity ions into n-type bulk substrates. Systematic physical and electrical characterizations were performed to demonstrate recovery of the implantation-damaged crystals and electrical activation of the dopant atoms by thermal annealing at 1000–1200 °C in an N2 atmosphere. N was found to exhibit much lower thermal diffusivity than Mg, thus enabling the use of higher annealing temperatures to maximize N activation efficiency without significantly altering the impurity profile. Consequently, an n-Ga2O3/Ga2O3:N/n-Ga2O3 structure was capable of sustaining a much larger voltage across its end terminals than its Mg-doped counterpart. The development of an ion implantation technology for acceptor doping of β-Ga2O3 creates unique opportunities for designing and engineering a variety of high-voltage β-Ga2O3 devices.

1.
M.
Higashiwaki
and
G. H.
Jessen
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
060401
(
2018
).
2.
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
).
3.
Z.
Hajnal
,
J.
Miró
,
G.
Kiss
,
F.
Réti
,
P.
Deák
,
R. C.
Herndon
, and
J. M.
Kuperberg
,
J. Appl. Phys.
86
,
3792
(
1999
).
4.
J. B.
Varley
,
J. R.
Weber
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
142106
(
2010
).
5.
J. B.
Varley
,
H.
Peelaers
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
J. Phys.: Condens. Matter
23
,
334212
(
2011
).
6.
B. E.
Kananen
,
L. E.
Halliburton
,
K. T.
Stevens
,
G. K.
Foundos
, and
N. C.
Giles
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
202104
(
2017
).
7.
E.
Korhonen
,
F.
Tuomisto
,
D.
Gogova
,
G.
Wagner
,
M.
Baldini
,
Z.
Galazka
,
R.
Schewski
, and
M.
Albrecht
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
242103
(
2015
).
8.
E.
Chikoidze
,
A.
Fellous
,
A.
Perez-Tomas
,
G.
Sauthier
,
T.
Tchelidze
,
C.
Ton-That
,
T. T.
Huynh
,
M.
Phillips
,
S.
Russel
,
M.
Jennings
,
B.
Berini
,
F.
Jomard
, and
Y.
Dumont
,
Mater. Today Phys.
3
,
118
(
2017
).
9.
T.
Harwig
and
F.
Kellendonk
,
J. Solid State Chem.
24
,
255
(
1978
).
10.
L.
Binet
and
D.
Gourier
,
J. Phys. Chem. Solids
59
,
1241
(
1998
).
11.
S. I.
Maximenko
,
L.
Mazeina
,
Y. N.
Picard
,
J. A.
Freitas
, Jr.
,
V. M.
Bermudez
, and
S. M.
Prokes
,
Nano Lett.
9
,
3245
(
2009
).
12.
T.
Onuma
,
S.
Fujioka
,
T.
Yamaguchi
,
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
T.
Masui
, and
T.
Honda
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
041910
(
2013
).
13.
N.
Ueda
,
H.
Hosono
,
R.
Waseda
, and
H.
Kawazoe
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
3561
(
1997
).
14.
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
,
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Express
5
,
035502
(
2012
).
15.
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
,
Y.
Yoshikawa
,
T.
Ujiie
, and
K.
Aoki
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
202120
(
2008
).
16.
K.
Sasaki
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Express
6
,
086502
(
2013
).
17.
E.
Ahmadi
,
O. S.
Koksaldi
,
S. W.
Kaun
,
Y.
Oshima
,
D. B.
Short
,
U. K.
Mishra
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Express
10
,
041102
(
2017
).
18.
A.
Kyrtsos
,
M.
Matsubara
, and
E.
Bellotti
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
032108
(
2018
).
19.
J. L.
Lyons
,
Semicond. Sci. Technol.
33
,
05LT02
(
2018
).
20.
K.
Yamaguchi
,
Solid State Comm.
131
,
739
(
2004
).
21.
H.
He
,
R.
Orlando
,
M. A.
Blanco
,
R.
Pandey
,
E.
Amzallag
,
I.
Baraille
, and
M.
Rérat
,
Phys. Rev. B
74
,
195123
(
2006
).
22.
H.
Peelaers
and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Status Solidi B
252
,
828
(
2015
).
23.
T.
Harwig
,
F.
Kellendonk
, and
S.
Slappendel
,
J. Phys. Chem. Solids
39
,
675
(
1978
).
24.
J. B.
Varley
,
A.
Janotti
,
C.
Franchini
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
85
,
081109(R)
(
2012
).
25.
B. E.
Kananen
,
L. E.
Halliburton
,
E. M.
Scherrer
,
K. T.
Stevens
,
G. K.
Foundos
,
K. B.
Chang
, and
N. C.
Giles
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
072102
(
2017
).
26.
S.
Nakamura
,
T.
Mukai
,
M.
Senoh
, and
N.
Iwasa
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
31
,
L139
(
1992
).
27.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
013504
(
2012
).
28.
Z.
Galazka
,
K.
Irmscher
,
R.
Uecker
,
R.
Bertram
,
M.
Pietsch
,
A.
Kwasniewski
,
M.
Naumann
,
T.
Schulz
,
R.
Schewski
,
D.
Klimm
, and
M.
Bickermann
,
J. Cryst. Growth
404
,
184
(
2014
).
29.
L.
Dong
,
R.
Jia
,
C.
Li
,
B.
Xin
, and
Y.
Zhang
,
J. Alloys Compd.
712
,
379
(
2017
).
30.
Y. P.
Song
,
H. Z.
Zhang
,
C.
Lin
,
Y. W.
Zhu
,
G. H.
Li
,
F. H.
Yang
, and
D. P.
Yu
,
Phys. Rev. B
69
,
075304
(
2004
).
31.
L. L.
Liu
,
M. K.
Li
,
D. Q.
Yu
,
J.
Zhang
,
H.
Zhang
,
C.
Qian
, and
Z.
Yang
,
Appl. Phys. A
98
,
831
(
2010
).
32.
A.
Kuramata
,
K.
Koshi
,
S.
Watanabe
,
Y.
Yamaoka
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
1202A2
(
2016
).
33.
K.
Nomura
,
K.
Goto
,
R.
Togashi
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
A.
Koukitu
,
J. Cryst. Growth
405
,
19
(
2014
).
34.
H.
Murakami
,
K.
Nomura
,
K.
Goto
,
K.
Sasaki
,
K.
Kawara
,
Q. T.
Thieu
,
R.
Togashi
,
Y.
Kumagai
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
,
B.
Monemar
, and
A.
Koukitu
,
Appl. Phys. Express
8
,
015503
(
2015
).
35.
J. P.
John
and
M. E.
Law
,
Appl. Phys. Lett.
62
,
1388
(
1993
).
36.
B.
Margesin
,
R.
Canteri
,
S.
Solmi
,
A.
Armigliato
, and
F.
Baruffaldi
,
J. Mater. Res.
6
,
2353
(
1991
).
37.
F.
Wittel
and
S.
Dunham
,
Appl. Phys. Lett.
66
,
1415
(
1995
).
38.
S.
Solmi
,
S.
Valmorri
, and
R.
Canteri
,
J. Appl. Phys.
77
,
2400
(
1995
).
39.
R. B.
Fair
and
J. C. C.
Tsai
,
J. Electrochem. Soc.
124
,
1107
(
1977
).
40.
D.
Mathiot
and
J. C.
Pfister
,
J. Appl. Phys.
53
,
3053
(
1982
).
41.
D. G.
Deppe
,
N.
Holonyak
, Jr.
,
F. A.
Kish
, and
J. E.
Baker
,
Appl. Phys. Lett.
50
,
998
(
1987
).
42.
D. G.
Deppe
,
N.
Holonyak
, Jr
, and
J. E.
Baker
,
Appl. Phys. Lett.
52
,
129
(
1988
).
43.
J. J.
Murray
,
M. D.
Deal
, and
D. A.
Stevenson
,
Appl. Phys. Lett.
56
,
472
(
1990
).
You do not currently have access to this content.