GaN-based metal–oxide–semiconductor (MOS) devices, such as n- and p-type capacitors and inversion- and accumulation-type p-channel field effect transistors (MOSFETs), were fabricated by Mg-ion implantation and ultra-high-pressure annealing (UHPA) under 1-GPa nitrogen pressure. Even though UHPA was conducted at 1400 °C without protective layers on GaN surfaces, n-type MOS capacitors with SiO2 gate dielectrics formed on non-ion-implanted regions exhibited well-behaved capacitance–voltage characteristics with negligible hysteresis and frequency dispersion, indicating distinct impact of UHPA in suppressing surface degradation during high-temperature annealing. Efficient activation of the implanted Mg dopants and reasonable hole accumulation at the SiO2/GaN interfaces were also achieved for p-type capacitors by UHPA, but the fabricated inversion- and accumulation-type p-channel GaN MOSFETs were hardly turned on. The findings reveal extremely low hole mobility at GaN MOS interfaces and suggest an intrinsic obstacle for the development of GaN-based MOS devices.

1.
B. J.
Baliga
,
Semicond. Sci. Technol.
28
,
074011
(
2013
).
2.
T.
Kachi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
,
100210
(
2014
).
3.
H.
Amano
,
Y.
Baines
,
E.
Beam
 et al,
J. Phys. D
51
,
163001
(
2018
).
4.
M.
Kodama
,
M.
Sugimoto
,
E.
Hayashi
,
N.
Soejima
,
O.
Ishiguro
,
M.
Kanechika
,
K.
Itoh
,
H.
Ueda
,
T.
Uesugi
, and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Express
1
,
021104
(
2008
).
5.
H.
Otake
,
K.
Chikamatsu
,
A.
Yamaguchi
,
T.
Fujishima
, and
H.
Ohta
,
Appl. Phys. Express
1
,
011105
(
2008
).
6.
T.
Oka
,
Y.
Ueno
,
T.
Ina
, and
K.
Hasegawa
,
Appl. Phys. Express
7
,
021002
(
2014
).
7.
S.
Takashima
,
K.
Ueno
,
H.
Matsuyama
,
T.
Inamoto
,
M.
Edo
,
T.
Takahashi
,
M.
Shimizu
, and
K.
Nakagawa
,
Appl. Phys. Express
10
,
121004
(
2017
).
8.
A.
Castiglia
,
J.-F.
Carlin
, and
N.
Grandjean
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
213505
(
2011
).
9.
S.
Nakamura
,
T.
Mukai
,
M.
Senoh
, and
N.
Iwasa
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
31
,
L139
(
1992
).
10.
M.
Rubin
,
N.
Newman
,
J. S.
Chan
,
T. C.
Fu
, and
J. T.
Ross
,
Appl. Phys. Lett.
64
,
64
(
1994
).
11.
S. J.
Pearton
,
C. B.
Vartuli
,
J. C.
Zolper
,
C.
Yuan
, and
R. A.
Stall
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
1435
(
1995
).
12.
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
).
13.
T. J.
Anderson
,
B. N.
Feigelson
,
F. J.
Kub
,
M. J.
Tadjer
,
K. D.
Hobart
,
M. A.
Mastro
,
J. K.
Hite
, and
C. R.
Eddy
, Jr.
,
Electron. Lett.
50
,
197
(
2014
).
14.
R.
Tanaka
,
S.
Takashima
,
K.
Ueno
,
H.
Matsuyama
, and
M.
Edo
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
59
,
SGGD02
(
2020
).
15.
K.
Shima
,
R.
Tanaka
,
S.
Takashima
,
K.
Ueno
,
M.
Edo
,
K.
Kojima
,
A.
Uedono
,
S.
Ishibashi
, and
S. F.
Chichibu
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
182106
(
2021
).
16.
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
).
17.
A.
Uedono
,
H.
Sakurai
,
T.
Nara
,
K.
Sierakowski
,
M.
Bockowski
,
J.
Suda
,
S.
Ishibashi
,
S. F.
Chichibu
, and
T.
Kachi
,
Sci. Rep.
10
,
17349
(
2020
).
18.
M.
Akazawa
,
E.
Wu
,
H.
Sakurai
,
M.
Bockowski
,
T.
Narita
, and
T.
Kachi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
60
,
036503
(
2021
).
19.
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
).
20.
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.
Goorski
,
Phys. Status Solidi B
257
,
1900705
(
2020
).
21.
M. H.
Breckenridge
,
J.
Tweedie
,
P.
Reddy
,
Y.
Guan
,
P.
Bagheri
,
D.
Szymanski
,
S.
Mita
,
K.
Sierakowski
,
M.
Bockowski
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
022101
(
2021
).
22.
J.
Karpinski
,
J.
Jun
, and
S.
Porowski
,
J. Cryst. Growth
66
,
1–10
(
1984
).
23.
S.
Porowski
,
I.
Grzegory
,
D.
Kolesnikov
,
W.
Lojkowski
,
V.
Jager
,
W.
Jager
,
V.
Bogdanov
,
T.
Suski
, and
S.
Krukowski
,
J. Phys.: Condens. Matter
14
,
11097
(
2002
).
24.
H.
Sakurai
,
T.
Narita
,
M.
Omori
,
S.
Yamada
,
A.
Koura
,
M.
Iwinska
,
K.
Kataoka
,
M.
Horita
,
N.
Ikarashi
,
M.
Bockowski
,
J.
Suda
, and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Express
13
,
086501
(
2020
).
25.
T.
Yamada
,
J.
Ito
,
R.
Asahara
,
K.
Watanabe
,
M.
Nozaki
,
T.
Hosoi
,
T.
Shimura
, and
H.
Watanabe
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
261603
(
2017
).
26.
T.
Hashizume
,
S.
Kaneki
,
T.
Oyobiki
,
Y.
Ando
,
S.
Sasaki
, and
K.
Nishiguchi
,
Appl. Phys. Express
11
,
124102
(
2018
).
27.
T.
Yamada
,
K.
Watanabe
,
M.
Nozaki
,
H.
Yamada
,
T.
Takahashi
,
M.
Shimizu
,
A.
Yoshigoe
,
T.
Hosoi
,
T.
Shimura
, and
H.
Watanabe
,
Appl. Phys. Express
11
,
015701
(
2018
).
28.
S. J.
Bader
,
R.
Chaudhuri
,
K.
Nomoto
,
A.
Hickman
,
Z.
Chen
,
H. W.
Then
,
D. A.
Muller
,
H. G.
Xing
, and
D.
Jena
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
1848
(
2018
).
29.
A.
Krishna
,
A.
Raj
,
N.
Hatui
,
O.
Koksaldi
,
R.
Jang
,
S.
Keller
, and
U. K.
Mishra
,
Phys. Status Solidi
217
,
1900692
(
2020
).
30.
A.
Raj
,
A.
Krishna
,
N.
Hatui
,
C.
Gupta
,
R.
Jang
,
S.
Keller
, and
U. K.
Mishra
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
220
(
2020
).
31.
A.
Krishna
,
A.
Raj
,
N.
Hatui
,
S.
Keller
, and
U. K.
Mishra
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
172105
(
2019
).
32.
K.
Zhang
,
M.
Liao
,
M.
Imura
,
T.
Nabatame
,
A.
Ohi
,
M.
Sumiya
,
Y.
Koide
, and
L.
Sang
,
Appl. Phys. Express
9
,
121002
(
2016
).
33.
L.
Sang
,
B.
Ren
,
M.
Liao
,
Y.
Koide
, and
M.
Sumiya
,
J. Appl. Phys.
123
,
161423
(
2018
).
34.
B.
Ren
,
M.
Liao
,
M.
Sumiya
,
J.
Su
,
X.
Liu
,
Y.
Koide
, and
L.
Sang
,
J. Phys. D
52
,
085105
(
2019
).
35.
K.
Kim
,
J.
Kim
,
J.
Gong
,
D.
Liu
, and
Z.
Ma
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
59
,
030908
(
2020
).
36.
T.
Nishimura
,
K.
Ikeda
, and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Express
14
,
066503
(
2021
).
37.
G.
Greco
,
F.
Iucolano
, and
F.
Roccaforte
,
Appl. Surf. Sci.
383
,
324
(
2016
).
38.
A. N.
Hattori
,
K.
Endo
,
K.
Hattori
, and
H.
Daimon
,
Appl. Surf. Sci.
256
,
4745
(
2010
).
39.
H.
Sakurai
,
T.
Narita
,
K.
Hirukawa
,
S.
Yamada
,
A.
Koura
,
K.
Kataoka
,
M.
Horita
,
N.
Ikarashi
,
M.
Bockowski
,
J.
Suda
, and
T.
Kachi
, in
Proceedings of International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)
,
Vienna
(IEEE,
2020
), p.
321
.
40.
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
).
41.
S.
Brochen
,
J.
Brault
,
S.
Chenot
,
A.
Dussaigne
,
M.
Leroux
, and
B.
Damilano
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
032102
(
2013
).
42.
J.
Zhang
,
J.
Shi
,
D.-C.
Qi
,
L.
Chen
, and
K. H. L.
Zhang
,
APL Mater.
8
,
020906
(
2020
).
You do not currently have access to this content.