We demonstrate high p-type conductivity and hole concentrations >1018 cm−3 in Mg-implanted GaN. The implantation was performed at room temperature and by post-implantation annealing at 1 GPa of N2 and in a temperature range of 1200–1400 °C. The high pressure thermodynamically stabilized the GaN surface without the need of a capping layer. We introduce a “diffusion budget,” related to the diffusion length, as a convenient engineering parameter for comparing samples annealed at different temperatures and for different times. Although damage recovery, as measured by XRD, was achieved at relatively low diffusion budgets, these samples did not show p-type conductivity. Further analyses showed heavy compensation by the implantation-induced defects. Higher diffusion budgets resulted in a low Mg ionization energy (∼115 meV) and almost complete Mg activation. For even higher diffusion budgets, we observed significant loss of Mg to the surface and a commensurate reduction in the hole conductivity. High compensation at low diffusion budgets and loss of Mg at high diffusion budgets present a unique challenge for shallow implants. A direct control of the formation of compensating defects arising from the implantation damage may be necessary to achieve both hole conductivity and low Mg diffusion.

1.
H.
Amano
,
Y.
Baines
,
E.
Beam
,
M.
Borga
,
T.
Bouchet
,
P. R.
Chalker
,
M.
Charles
,
K. J.
Chen
,
N.
Chowdhury
,
R.
Chu
,
C. D.
Santi
,
M. M. D.
Souza
,
S.
Decoutere
,
L. D.
Cioccio
,
B.
Eckardt
,
T.
Egawa
,
P.
Fay
,
J. J.
Freedsman
,
L.
Guido
,
O.
Häberlen
,
G.
Haynes
,
T.
Heckel
,
D.
Hemakumara
,
P.
Houston
,
J.
Hu
,
M.
Hua
,
Q.
Huang
,
A.
Huang
,
S.
Jiang
,
H.
Kawai
,
D.
Kinzer
,
M.
Kuball
,
A.
Kumar
,
K. B.
Lee
,
X.
Li
,
D.
Marcon
,
M.
März
,
R.
McCarthy
,
G.
Meneghesso
,
M.
Meneghini
,
E.
Morvan
,
A.
Nakajima
,
E. M. S.
Narayanan
,
S.
Oliver
,
T.
Palacios
,
D.
Piedra
,
M.
Plissonnier
,
R.
Reddy
,
M.
Sun
,
I.
Thayne
,
A.
Torres
,
N.
Trivellin
,
V.
Unni
,
M. J.
Uren
,
M. V.
Hove
,
D. J.
Wallis
,
J.
Wang
,
J.
Xie
,
S.
Yagi
,
S.
Yang
,
C.
Youtsey
,
R.
Yu
,
E.
Zanoni
,
S.
Zeltner
, and
Y.
Zhang
,
J. Phys. Appl. Phys.
51
,
163001
(
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.
S.
Chowdhury
,
M. H.
Wong
,
B. L.
Swenson
, and
U. K.
Mishra
,
IEEE Electron Device Lett.
33
,
41
(
2012
).
4.
D.
Ji
,
Y.
Yue
,
J.
Gao
, and
S.
Chowdhury
,
IEEE Trans. Electron Devices
63
,
4011
(
2016
).
5.
D.
Ji
and
S.
Chowdhury
,
IEEE Trans. Electron Devices
62
,
3633
(
2015
).
6.
C. J.
Pan
and
G. C.
Chi
,
Solid-State Electron.
43
,
621
(
1999
).
7.
G. C.
Chi
,
C. H.
Kuo
,
J. K.
Sheu
, and
C. J.
Pan
,
Mater. Sci. Eng. B
75
,
210
(
2000
).
8.
Y.-J.
Yang
,
J.-L.
Yen
,
F.-S.
Yang
, and
C.-Y.
Lin
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
39
,
L390
(
2000
).
9.
L.
Rubin
and
J.
Poate
,
Ind. Phys.
9
,
12
(
2003
).
10.
V.
Heera
,
D.
Panknin
, and
W.
Skorupa
,
Appl. Surf. Sci.
184
,
307
(
2001
).
11.
J. K.
Sheu
,
C. J.
Tun
,
M. S.
Tsai
,
C. C.
Lee
,
G. C.
Chi
,
S. J.
Chang
, and
Y. K.
Su
,
J. Appl. Phys.
91
,
1845
(
2002
).
12.
W.
Khalfaoui
,
T.
Oheix
,
G.
El‐Zammar
,
R.
Benoit
,
F.
Cayrel
,
E.
Faulques
,
F.
Massuyeau
,
A.
Yvon
,
E.
Collard
, and
D.
Alquier
,
Phys. Status Solidi A
214
,
1600438
(
2017
).
13.
K.
Fu
,
H.
Fu
,
H.
Liu
,
S. R.
Alugubelli
,
T.-H.
Yang
,
X.
Huang
,
H.
Chen
,
I.
Baranowski
,
J.
Montes
,
F. A.
Ponce
, and
Y.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
233502
(
2018
).
14.
H.
Sakurai
,
M.
Omori
,
S.
Yamada
,
Y.
Furukawa
,
H.
Suzuki
,
T.
Narita
,
K.
Kataoka
,
M.
Horita
,
M.
Bockowski
,
J.
Suda
, and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
142104
(
2019
).
15.
K. T.
Jacob
and
G.
Rajitha
,
J. Cryst. Growth
311
,
3806
(
2009
).
16.
S.
Porowski
,
I.
Grzegory
,
D.
Kolesnikov
,
W.
Lojkowski
,
V.
Jager
,
W.
Jager
,
V.
Bogdanov
,
T.
Suski
, and
S.
Krukowski
,
J. Phys.
14
,
11097
(
2002
).
17.
K.
Sierakowski
,
R.
Jakiela
,
B.
Lucznik
,
P.
Kwiatkowski
,
M.
Iwinska
,
M.
Turek
,
H.
Sakurai
,
T.
Kachi
, and
M.
Bockowski
,
Electronics
9
,
1380
(
2020
).
18.
K.
Hogan
,
S.
Tozier
,
E.
Rocco
,
I.
Mahaboob
,
V.
Meyers
,
B.
McEwen
,
F.
Shahedipour-Sandvik
,
R.
Tompkins
,
M.
Derenge
,
K.
Jones
,
M.
Shevelev
,
V.
Sklyar
,
A.
Lang
,
J.
Hart
,
M.
Taheri
, and
M.
Reshchikov
, in
2019 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS)
(
2019
), pp.
1
6
.
19.
Y.
Wang
,
K.
Huynh
,
M. E.
Liao
,
H.-M.
Yu
,
T.
Bai
,
J.
Tweedie
,
M. H.
Breckenridge
,
R.
Collazo
,
Z.
Sitar
,
M.
Bockowski
,
Y.
Liu
, and
M. S.
Goorsky
,
Phys. Status Solidi B
257
,
1900705
(
2020
).
20.
K.
Iwata
,
H.
Sakurai
,
S.
Arai
,
T.
Nakashima
,
T.
Narita
,
K.
Kataoka
,
M.
Bockowski
,
M.
Nagao
,
J.
Suda
,
T.
Kachi
, and
N.
Ikarashi
,
J. Appl. Phys.
127
,
105106
(
2020
).
21.
H.
Tews
,
R.
Neumann
,
A.
Hoepfner
, and
S.
Gisdakis
,
J. Appl. Phys.
67
,
2857
(
1990
).
22.
Y. K.
Yeo
,
Y. S.
Park
, and
P. W.
Yu
,
J. Appl. Phys.
50
,
3274
(
1979
).
23.
P.
Reddy
,
M. P.
Hoffmann
,
F.
Kaess
,
Z.
Bryan
,
I.
Bryan
,
M.
Bobea
,
A.
Klump
,
J.
Tweedie
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
M.
Gerhold
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
120
,
185704
(
2016
).
24.
P.
Reddy
,
F.
Kaess
,
J.
Tweedie
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
152101
(
2017
).
25.
K.
Morizuka
,
T.
Nozu
,
K.
Tsuda
, and
M.
Azuma
,
Electron. Lett.
22
,
315
(
1986
).
26.
S.
Yamahata
and
S.
Adachi
,
Appl. Phys. Lett
52
,
1493
(
1988
).
You do not currently have access to this content.