Electrical conductivity in high Al-content AlGaN has been severely limited, presumably due to a DX transition forming an acceptor state and subsequent self-compensation, which imposed an upper limit on the achievable free carrier concentration. To elucidate this idea, this paper examines Ge doping as a function of Al-content in AlGaN and finds a different behavior: for Al compositions below 40%, Ge behaved as a shallow donor with an ionization energy below 20 meV, while for Al compositions above 40%, above DX transition, it emerged as a deep donor. The ionization energy of this deep state increased with increasing Al content and reached 150 meV for 60% AlGaN. Around the DX transition, a continuous change from the shallow to deep donor was observed. In contrast to the density functional theory predictions, acceptor-type states corresponding to a DX-type transition were not observed. This finding may have profound technological consequences for the development of AlGaN- and AlN-based devices as it offers a feasible pathway to high n-conductivity in these compounds.

1.
R.
Kirste
,
N.
Rohrbaugh
,
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
R.
Collazo
, and
A.
Ivanisevic
,
Annu. Rev. Anal. Chem.
8
,
149
(
2015
).
2.
R.
Kirste
,
M. P.
Hoffmann
,
E.
Sachet
,
M.
Bobea
,
Z.
Bryan
,
I.
Bryan
,
C.
Nenstiel
,
A.
Hoffmann
,
J.-P.
Maria
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
242107
(
2013
).
3.
J.
Xie
,
S.
Mita
,
Z.
Bryan
,
W.
Guo
,
L.
Hussey
,
B.
Moody
,
R.
Schlesser
,
R.
Kirste
,
M.
Gerhold
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
171102
(
2013
).
4.
K. A.
Jones
,
T. P.
Chow
,
M.
Wraback
,
M.
Shatalov
,
Z.
Sitar
,
F.
Shahedipour
,
K.
Udwary
, and
G. S.
Tompa
,
J. Mater. Sci.
50
,
3267
(
2015
).
5.
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
).
6.
R.
Collazo
,
S.
Mita
,
J.
Xie
,
A.
Rice
,
J.
Tweedie
,
R.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
Phys. Status Solidi C
8
,
2031
(
2011
).
7.
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
S.
Washiyama
,
P.
Reddy
,
B.
Gaddy
,
B.
Sarkar
,
M.
Hayden Breckenridge
,
Q.
Guo
,
M.
Bobea
,
J.
Tweedie
,
S.
Mita
,
D.
Irving
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
062102
(
2018
).
8.
B.
Borisov
,
V.
Kuryatkov
,
Y.
Kudryavtsev
,
R.
Asomoza
,
S.
Nikishin
,
D. Y.
Song
,
M.
Holtz
, and
H.
Temkin
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
132106
(
2005
).
9.
L.
Gordon
,
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
89
,
085204
(
2014
).
10.
M. S.
Brandt
,
R.
Zeisel
,
S. T. B.
Gönnenwein
,
M. W.
Bayerl
, and
M.
Stutzmann
,
Phys. Status Solidi B
235
,
13
(
2003
).
11.
J.
Xie
,
S.
Mita
,
A.
Rice
,
J.
Tweedie
,
L.
Hussey
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
202101
(
2011
).
12.
J. S.
Harris
,
J. N.
Baker
,
B. E.
Gaddy
,
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
K. J.
Mirrielees
,
P.
Reddy
,
R.
Collazo
,
Z.
Sitar
, and
D. L.
Irving
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
152101
(
2018
).
13.
C. G.
Van de Walle
and
J.
Neugebauer
,
J. Appl. Phys.
95
,
3851
(
2004
).
14.
C. B.
Lim
,
A.
Ajay
,
J.
Lähnemann
,
C.
Bougerol
, and
E.
Monroy
,
Semicond. Sci. Technol.
32
,
125002
(
2017
).
15.
A.
Dadgar
,
J.
Bläsing
,
A.
Diez
, and
A.
Krost
,
Appl. Phys. Express
4
,
011001
(
2011
).
16.
C.
Nenstiel
,
M.
Bügler
,
G.
Callsen
,
F.
Nippert
,
T.
Kure
,
S.
Fritze
,
A.
Dadgar
,
H.
Witte
,
J.
Bläsing
,
A.
Krost
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Status Solidi RRL
9
,
716
(
2015
).
17.
R.
Blasco
,
A.
Ajay
,
E.
Robin
,
C.
Bougerol
,
K.
Lorentz
,
L. C.
Alves
,
I.
Mouton
,
L.
Amichi
,
A.
Grenier
, and
E.
Monroy
,
J. Phys. Appl. Phys.
52
,
125101
(
2019
).
18.
A.
Bansal
,
K.
Wang
,
J. S.
Lundh
,
S.
Choi
, and
J. M.
Redwing
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
142101
(
2019
).
19.
R.
Zeisel
,
M. W.
Bayerl
,
S. T. B.
Goennenwein
,
R.
Dimitrov
,
O.
Ambacher
,
M. S.
Brandt
, and
M.
Stutzmann
,
Phys. Rev. B
61
,
R16283
(
2000
).
20.
K.
Irmscher
,
T.
Schulz
,
M.
Albrecht
,
C.
Hartmann
,
J.
Wollweber
, and
R.
Fornari
,
Physica B
401–402
,
323
(
2007
).
21.
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
57
,
R2033
(
1998
).
22.
N. T.
Son
,
M.
Bickermann
, and
E.
Janzén
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
092104
(
2011
).
23.
B.
Sarkar
,
S.
Mita
,
P.
Reddy
,
A.
Klump
,
F.
Kaess
,
J.
Tweedie
,
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
R.
Kirste
,
E.
Kohn
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
032109
(
2017
).
24.
J.
Tweedie
,
R.
Collazo
,
A.
Rice
,
J.
Xie
,
S.
Mita
,
R.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
108
,
043526
(
2010
).
25.
A.
Klump
,
C.
Zhou
,
F. A.
Stevie
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Vac. Sci. Technol., B
36
,
03F102
(
2018
).
26.
C. J.
Gu
,
F. A.
Stevie
,
C. J.
Hitzman
,
Y. N.
Saripalli
,
M.
Johnson
, and
D. P.
Griffis
,
Appl. Surf. Sci.
252
,
7228
(
2006
).
27.
B. B.
Haidet
,
B.
Sarkar
,
P.
Reddy
,
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
R.
Kirste
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
56
,
100302
(
2017
).
28.
K.
Seeger
,
Semiconductor Physics: An Introduction
(
Springer Science & Business Media
,
2013
).
29.
M. E.
Levinshtein
,
S. L.
Rumyantsev
, and
M. S.
Shur
,
Properties of Advanced Semiconductor Materials: GaN, AIN, InN, BN, SiC, SiGe
(
John Wiley & Sons
,
2001
).
30.
S. F.
Chichibu
,
H.
Miyake
,
Y.
Ishikawa
,
M.
Tashiro
,
T.
Ohtomo
,
K.
Furusawa
,
K.
Hazu
,
K.
Hiramatsu
, and
A.
Uedono
,
J. Appl. Phys.
113
,
213506
(
2013
).
31.
S.
Washiyama
,
P.
Reddy
,
B.
Sarkar
,
M. H.
Breckenridge
,
Q.
Guo
,
P.
Bagheri
,
A.
Klump
,
R.
Kirste
,
J.
Tweedie
,
S.
Mita
,
Z.
Sitar
, and
R.
Collazo
,
J. Appl. Phys.
127
,
105702
(
2020
).
You do not currently have access to this content.