This work reports high carrier mobilities and growth rates simultaneously in low unintentionally doped (UID) (1015 cm−3) metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD)-grown thick β-Ga2O3 epitaxial drift layers, with thicknesses reaching up to 6.3 μm, using triethylgallium (TEGa) as a precursor. Record-high room temperature Hall mobilities of 187–190 cm2/V s were measured for background carrier density values of 2.4–3.5 × 1015 cm−3 grown at a rate of 2.2 μm/h. A controlled background carrier density scaling from 3.3 × 1016 to 2.4 × 1015 cm−3 is demonstrated, without the use of intentional dopant gases such as silane, by controlling the growth rate and O2/TEGa ratio. Films show smooth surface morphologies of 0.8–3.8 nm RMS roughness for film thicknesses of 1.24–6.3 μm. Vertical Ni Schottky barrier diodes (SBDs) fabricated on UID MOCVD material were compared with those fabricated on hydride vapor phase epitaxy material, revealing superior material and device characteristics. MOCVD SBDs on a 6.3 μm thick epitaxial layer show a uniform charge vs depth profile of ∼ 2.4 × 1015 cm−3, an estimated μdrift of 132 cm2/V s, breakdown voltage (VBR) close to 1.2 kV, and a surface parallel plane field of 2.05 MV/cm without any electric field management—setting record-high parameters for any MOCVD-grown β-Ga2O3 vertical diode to date.

1.
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
).
2.
Z.
Galazka
,
R.
Uecker
,
D.
Klimm
,
K.
Irmscher
,
M.
Naumann
,
M.
Pietsch
,
A.
Kwasniewski
,
R.
Bertram
,
S.
Ganschow
, and
M.
Bickermann
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
Q3007
(
2017
).
3.
Z.
Galazka
,
S.
Ganschow
,
P.
Seyidov
,
K.
Irmscher
,
M.
Pietsch
,
T.-S.
Chou
,
S.
Bin Anooz
,
R.
Grueneberg
,
A.
Popp
, and
A.
Dittmar
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
152101
(
2022
).
4.
K.
Hoshikawa
,
E.
Ohba
,
T.
Kobayashi
,
J.
Yanagisawa
,
C.
Miyagawa
, and
Y.
Nakamura
,
J. Cryst. Growth
447
,
36
41
(
2016
).
5.
A.
Kuramata
,
K.
Koshi
,
S.
Watanabe
,
Y.
Yamaoka
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
1202A2
(
2016
).
6.
N.
Suzuki
,
S.
Ohira
,
M.
Tanaka
,
T.
Sugawara
,
K.
Nakajima
, and
T.
Shishido
,
Phys. Status Solidi C
4
,
2310
2313
(
2007
).
7.
J. D.
Blevins
,
K.
Stevens
,
A.
Lindsey
,
G.
Foundos
, and
L.
Sande
,
IEEE Trans. Semicond. Manuf.
32
,
466
472
(
2019
).
8.
T.
Kamimura
,
Y.
Nakata
,
M. H.
Wong
, and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1064
1067
(
2019
).
9.
A. T.
Neal
,
S.
Mou
,
S.
Rafique
,
H.
Zhao
,
E.
Ahmadi
,
J. S.
Speck
,
K. T.
Stevens
,
J. D.
Blevins
,
D. B.
Thomson
, and
N.
Moser
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
062101
(
2018
).
10.
J. L.
Lyons
,
Semicond. Sci. Technol.
33
,
05LT02
(
2018
).
11.
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
,
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Express
5
,
035502
(
2012
).
12.
D.
Gogova
,
M.
Schmidbauer
, and
A.
Kwasniewski
,
CrystEngComm
17
,
6744
6752
(
2015
).
13.
G.
Wagner
,
M.
Baldini
,
D.
Gogova
,
M.
Schmidbauer
,
R.
Schewski
,
M.
Albrecht
,
Z.
Galazka
,
D.
Klimm
, and
R.
Fornari
,
Phys. Status Solidi A
211
,
27
33
(
2014
).
14.
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
,
Y.
Yoshikawa
,
T.
Ujiie
, and
K.
Aoki
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
202120
(
2008
).
15.
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
).
16.
P.
Ranga
,
A.
Bhattacharyya
,
L.
Whittaker-Brooks
,
M. A.
Scarpulla
, and
S.
Krishnamoorthy
,
J. Vac. Sci. Technol. A
39
,
030404
(
2021
).
17.
M.
Saleh
,
J. B.
Varley
,
J.
Jesenovec
,
A.
Bhattacharyya
,
S.
Krishnamoorthy
,
S.
Swain
, and
K.
Lynn
,
Semicond. Sci. Technol.
35
,
04LT01
(
2020
).
18.
M.
Saleh
,
A.
Bhattacharyya
,
J. B.
Varley
,
S.
Swain
,
J.
Jesenovec
,
S.
Krishnamoorthy
, and
K.
Lynn
,
Appl. Phys. Express
12
,
085502
(
2019
).
19.
S.
Sharma
,
K.
Zeng
,
S.
Saha
, and
U.
Singisetti
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
836
839
(
2020
).
20.
S.
Sharma
,
L.
Meng
,
A.
Bhuiyan
,
Z.
Feng
,
D.
Eason
,
H.
Zhao
, and
U.
Singisetti
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
2029
2032
(
2022
).
21.
J.
Zhang
,
P.
Dong
,
K.
Dang
,
Y.
Zhang
,
Q.
Yan
,
H.
Xiang
,
J.
Su
,
Z.
Liu
,
M.
Si
,
J.
Gao
,
M.
Kong
,
H.
Zhou
, and
Y.
Hao
,
Nat. Commun.
13
,
3900
(
2022
).
22.
P.
Dong
,
J.
Zhang
,
Q.
Yan
,
Z.
Liu
,
P.
Ma
,
H.
Zhou
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
765
768
(
2022
).
23.
H.
Gong
,
F.
Zhou
,
X.
Yu
,
W.
Xu
,
F.-F.
Ren
,
S.
Gu
,
H.
Lu
,
J.
Ye
, and
R.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
773
776
(
2022
).
24.
Y.
Qin
,
M.
Xiao
,
M.
Porter
,
Y.
Ma
,
J.
Spencer
,
Z.
Du
,
A. G.
Jacobs
,
K.
Sasaki
,
H.
Wang
,
M.
Tadjer
, and
Y.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
44
,
1268
1271
(
2023
).
25.
C.
Wang
,
Q.
Yan
,
C.
Zhang
,
C.
Su
,
K.
Zhang
,
S.
Sun
,
Z.
Liu
,
W.
Zhang
,
S.
Alghamdi
,
E.
Ghandourah
,
C.
Zhang
,
J.
Zhang
,
H.
Zhou
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
44
,
1684
1687
(
2023
).
26.
N. K.
Kalarickal
,
Z.
Xia
,
H.-L.
Huang
,
W.
Moore
,
Y.
Liu
,
M.
Brenner
,
J.
Hwang
, and
S.
Rajan
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
899
902
(
2021
).
27.
Z.
Xia
,
H.
Chandrasekar
,
W.
Moore
,
C.
Wang
,
A. J.
Lee
,
J.
McGlone
,
N. K.
Kalarickal
,
A.
Arehart
,
S.
Ringel
, and
F.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
252104
(
2019
).
28.
S.
Roy
,
A.
Bhattacharyya
,
P.
Ranga
,
H.
Splawn
,
J.
Leach
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE Electron Device Lett.
42
(
8
),
1140
1143
(
2021
).
29.
S.
Roy
,
A.
Bhattacharyya
,
C.
Peterson
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE Electron Device Lett.
43
(
12
),
2037
2040
(
2022
).
30.
A. J.
Green
,
K. D.
Chabak
,
E. R.
Heller
,
R. C.
Fitch
,
M.
Baldini
,
A.
Fiedler
,
K.
Irmscher
,
G.
Wagner
,
Z.
Galazka
,
S. E.
Tetlak
,
A.
Crespo
,
K.
Leedy
, and
G. H.
Jessen
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
902
905
(
2016
).
31.
X.
Yan
,
I. S.
Esqueda
,
J.
Ma
,
J.
Tice
, and
H.
Wang
,
Appl. Phys. Lett
112
,
032101
(
2018
).
32.
A.
Bhattacharyya
,
S.
Sharma
,
F.
Alema
,
p
ranga
,
S.
Roy
,
C.
Peterson
,
G.
Seryogin
,
A.
Osinsky
,
U.
Singisetti
, and
S.
Krishnamoorthy
,
Appl. Phys. Express
15
,
061001
(
2022
).
33.
A.
Bhattacharyya
,
P.
Ranga
,
S.
Roy
,
C.
Peterson
,
F.
Alema
,
G.
Seryogin
,
A.
Osinsky
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
1272
1275
(
2021
).
34.
A.
Bhattacharyya
,
S.
Roy
,
P.
Ranga
,
C.
Peterson
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
1637
1640
(
2022
).
35.
Z.
Hu
,
K.
Nomoto
,
W.
Li
,
R.
Jinno
,
T.
Nakamura
,
D.
Jena
, and
H.
Xing
, in
The 31st IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)
(IEEE,
2019
), pp.
483
486
.
36.
W.
Li
,
K.
Nomoto
,
Z.
Hu
,
T.
Nakamura
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
, in
IEEE International Electron Devices Meetings
(
IEDM
,
2019
).
37.
M. H.
Wong
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
431
434
(
2019
).
38.
K.
Sasaki
,
Q. T.
Thieu
,
D.
Wakimoto
,
Y.
Koishikawa
,
A.
Kuramata
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Express
10
,
124201
(
2017
).
39.
Z.
Ren
,
H.-C.
Huang
,
H.
Lee
,
C.
Chan
,
H. C.
Roberts
,
X.
Wu
,
A.
Waseem
,
A.
Bhuiyan
,
H.
Zhao
,
W.
Zhu
, and
X.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
123
,
043505
(
2023
).
40.
H.-C.
Huang
,
Z.
Ren
,
A. F. M.
Anhar Uddin Bhuiyan
,
Z.
Feng
,
Z.
Yang
,
X.
Luo
,
A. Q.
Huang
,
A.
Green
,
K.
Chabak
,
H.
Zhao
, and
X.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
052102
(
2022
).
41.
A. T.
Neal
,
S.
Mou
,
R.
Lopez
,
J. V.
Li
,
D. B.
Thomson
,
K. D.
Chabak
, and
G. H.
Jessen
,
Sci. Rep
7
,
13218
(
2017
).
42.
M. H.
Wong
and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
3925
3937
(
2020
).
43.
K.
Goto
,
K.
Konishi
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
B.
Monemar
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
, and
S.
Yamakoshi
,
Thin Solid Films
666
,
182
184
(
2018
).
44.
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
(
2014
).
45.
J. H.
Leach
,
K.
Udwary
,
J.
Rumsey
,
G.
Dodson
,
H.
Splawn
, and
K. R.
Evans
,
APL Mater.
7
,
022504
(
2019
).
46.
T.-S.
Chou
,
P.
Seyidov
,
S. B.
Anooz
,
R.
Grüneberg
,
J.
Rehm
,
T. T. V.
Tran
,
A.
Fiedler
,
K.
Tetzner
,
Z.
Galazka
,
M.
Albrecht
, and
A.
Popp
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
62
,
SF1004
(
2023
).
47.
T.-S.
Chou
,
P.
Seyidov
,
S.
Bin Anooz
,
R.
Grüneberg
,
T. T. V.
Tran
,
K.
Irmscher
,
M.
Albrecht
,
Z.
Galazka
,
J.
Schwarzkopf
, and
A.
Popp
,
AIP Adv.
11
,
115323
(
2021
).
48.
T.-S.
Chou
,
P.
Seyidov
,
S.
Bin Anooz
,
R.
Grüneberg
,
M.
Pietsch
,
J.
Rehm
,
T. T. V.
Tran
,
K.
Tetzner
,
Z.
Galazka
,
M.
Albrecht
,
K.
Irmscher
,
A.
Fiedler
, and
A.
Popp
,
Appl. Phys. Lett.
122
,
052102
(
2023
).
49.
F.
Alema
,
B.
Hertog
,
A.
Osinsky
,
P.
Mukhopadhyay
,
M.
Toporkov
, and
W. V.
Schoenfeld
,
J. Cryst. Growth
475
,
77
82
(
2017
).
50.
G.
Seryogin
,
F.
Alema
,
N.
Valente
,
H.
Fu
,
E.
Steinbrunner
,
A. T.
Neal
,
S.
Mou
,
A.
Fine
, and
A.
Osinsky
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
262101
(
2020
).
51.
J.
Yoshinaga
,
H.
Tozato
,
T.
Okuyama
,
S.
Sasaki
,
G.
Piao
,
K.
Ikenaga
,
K.
Goto
,
Y.
Ban
, and
Y.
Kumagai
,
Appl. Phys. Express
16
,
095504
(
2023
).
52.
K.
Goto
,
T.
Nishimura
,
M.
Ishikawa
,
T.
Okuyama
,
H.
Tozato
,
S.
Sasaki
,
K.
Ikenaga
,
Y.
Takinami
,
H.
Machida
, and
Y.
Kumagai
,
J. Vac. Sci. Technol. A
41
,
042704
(
2023
).
53.
S.
Rafique
,
M. R.
Karim
,
J. M.
Johnson
,
J.
Hwang
, and
H.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
052104
(
2018
).
54.
Y.
Zhang
,
Z.
Feng
,
M. R.
Karim
, and
H.
Zhao
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
050806
(
2020
).
55.
S.
Rafique
,
L.
Han
,
M. J.
Tadjer
,
J. A.
Freitas
, Jr.
,
N. A.
Mahadik
, and
H.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
182105
(
2016
).
56.
S.
Saha
,
L.
Meng
,
Z.
Feng
,
A. F. M.
Anhar Uddin Bhuiyan
,
H.
Zhao
, and
U.
Singisetti
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
122106
(
2022
).
57.
C.
Joishi
,
S.
Rafique
,
Z.
Xia
,
L.
Han
,
S.
Krishnamoorthy
,
Y.
Zhang
,
S.
Lodha
,
H.
Zhao
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Express
11
,
031101
(
2018
).
58.
Z.
Feng
,
A. F. M.
Anhar Uddin Bhuiyan
,
M. R.
Karim
, and
H.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
250601
(
2019
).
59.
Z.
Feng
,
A. F. M. A. U.
Bhuiyan
,
Z.
Xia
,
W.
Moore
,
Z.
Chen
,
J. F.
McGlone
,
D. R.
Daughton
,
A. R.
Arehart
,
S. A.
Ringel
,
S.
Rajan
, and
H.
Zhao
,
Phys. Status Solidi RRL
14
,
2000145
(
2020
).
60.
Y.
Zhang
,
F.
Alema
,
A.
Mauze
,
O. S.
Koksaldi
,
R.
Miller
,
A.
Osinsky
, and
J. S.
Speck
,
APL Mater.
7
,
022506
(
2019
).
61.
F.
Alema
,
Y.
Zhang
,
A.
Osinsky
,
N.
Valente
,
A.
Mauze
,
T.
Itoh
, and
J. S.
Speck
,
APL Mater.
7
,
121110
(
2019
).
62.
R.
Schewski
,
K.
Lion
,
A.
Fiedler
,
C.
Wouters
,
A.
Popp
,
S. V.
Levchenko
,
T.
Schulz
,
M.
Schmidbauer
,
S.
Bin Anooz
,
R.
Grüneberg
,
Z.
Galazka
,
G.
Wagner
,
K.
Irmscher
,
M.
Scheffler
,
C.
Draxl
, and
M.
Albrecht
,
APL Mater.
7
,
022515
(
2019
).
63.
S.
Bin Anooz
,
R.
Grüneberg
,
C.
Wouters
,
R.
Schewski
,
M.
Albrecht
,
A.
Fiedler
,
K.
Irmscher
,
Z.
Galazka
,
W.
Miller
,
G.
Wagner
,
J.
Schwarzkopf
, and
A.
Popp
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
182106
(
2020
).
64.
A.
Bhattacharyya
,
P.
Ranga
,
S.
Roy
,
J.
Ogle
,
L.
Whittaker-Brooks
, and
S.
Krishnamoorthy
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
142102
(
2020
).
65.
A.
Bhattacharyya
,
C.
Peterson
,
T.
Itoh
,
S.
Roy
,
J.
Cooke
,
S.
Rebollo
,
P.
Ranga
,
B.
Sensale-Rodriguez
, and
S.
Krishnamoorthy
,
APL Mater.
11
,
021110
(
2023
).
66.
K.
Goto
,
K.
Ikenaga
,
N.
Tanaka
,
M.
Ishikawa
,
H.
Machida
, and
Y.
Kumagai
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
60
,
045505
(
2021
).
67.
F.
Alema
,
Y.
Zhang
,
A.
Osinsky
,
N.
Orishchin
,
N.
Valente
,
A.
Mauze
, and
J. S.
Speck
,
APL Mater.
8
,
021110
(
2020
).
68.
M.
Baldini
,
M.
Albrecht
,
A.
Fiedler
,
K.
Irmscher
,
R.
Schewski
, and
G.
Wagner
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
Q3040
(
2017
).
69.
Z.
Wen
,
K.
Khan
,
X.
Zhai
, and
E.
Ahmadi
,
Appl. Phys. Lett.
122
,
082101
(
2023
).
70.
A.
Mauze
,
Y.
Zhang
,
T.
Itoh
,
E.
Ahmadi
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
222102
(
2020
).
71.
K.
Azizie
,
F. V. E.
Hensling
,
C. A.
Gorsak
,
Y.
Kim
,
N. A.
Pieczulewski
,
D. M.
Dryden
,
M. K. Indika
Senevirathna
,
S.
Coye
,
S.-L.
Shang
,
J.
Steele
,
P.
Vogt
,
N. A.
Parker
,
Y. A.
Birkhölzer
,
J. P.
McCandless
,
D.
Jena
,
H. G.
Xing
,
Z.-K.
Liu
,
M. D.
Williams
,
A. J.
Green
,
K.
Chabak
,
D. A.
Muller
,
A. T.
Neal
,
S.
Mou
,
M. O.
Thompson
,
H. P.
Nair
, and
D. G.
Schlom
,
APL Mater.
11
,
041102
(2023).
72.
J. P.
McCandless
,
V.
Protasenko
,
B. W.
Morell
,
E.
Steinbrunner
,
A. T.
Neal
,
N.
Tanen
,
Y.
Cho
,
T. J.
Asel
,
S.
Mou
,
P.
Vogt
,
H. G.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
072108
(
2022
).
73.
A.
Bhattacharyya
,
P.
Ranga
,
M.
Saleh
,
S.
Roy
,
M. A.
Scarpulla
,
K. G.
Lynn
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE J. Electron Devices Soc.
8
,
286
294
(
2020
).
74.
E.
Farzana
,
F.
Alema
,
W. Y.
Ho
,
A.
Mauze
,
T.
Itoh
,
A.
Osinsky
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
162109
(
2021
).
75.
P. P.
Sundaram
,
F.
Liu
,
F.
Alema
,
A.
Osinsky
,
B.
Jalan
, and
S. J.
Koester
,
Appl. Phys. Lett.
122
,
232105
(
2023
).
76.
H.-H.
Wan
,
J.-S.
Li
,
C.-C.
Chiang
,
F.
Ren
,
T. J.
Yoo
,
H.
Kim
,
A.
Osinsky
,
F.
Alema
, and
S. J.
Pearton
,
J. Vac. Sci. Technol. A
41
,
052707
(
2023
).
77.
S.
Sdoeung
,
K.
Sasaki
,
K.
Kawasaki
,
J.
Hirabayashi
,
A.
Kuramata
, and
M.
Kasu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
62
,
071001
(
2023
).
78.
S.
Sdoeung
,
K.
Sasaki
,
S.
Masuya
,
K.
Kawasaki
,
J.
Hirabayashi
,
A.
Kuramata
, and
M.
Kasu
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
172106
(
2021
).
79.
J.
Cooke
,
P.
Ranga
,
A.
Bhattacharyya
,
X.
Cheng
,
Y.
Wang
,
S.
Krishnamoorthy
,
M. A.
Scarpulla
, and
B.
Sensale-Rodriguez
,
J. Vac. Sci. Technol. A
41
,
013406
(
2023
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.