Vacancy-type defects in Al0.1Ga0.9N were probed using a monoenergetic positron beam. Al0.1Ga0.9N layers with different carbon doping concentrations ([C] = 5 × 1017−8 × 1019 cm−3) were grown on Si substrates by metalorganic vapor phase epitaxy. The major defect species in Al0.1Ga0.9N was determined to be a cation vacancy (or cation vacancies) coupled with nitrogen vacancies and/or with carbon atoms at nitrogen sites (CNs). The charge state of the vacancies was positive because of the electron transfer from the defects to CN-related acceptors. The defect charge state was changed from positive to neutral when the sample was illuminated with photon energy above 1.8 eV, and this energy range agreed with the yellow and blue luminescence. For the sample with high [C], the charge transition of the vacancies under illumination was found to be suppressed, which was attributed to the trapping of emitted electrons by CN-related acceptors. With increasing [C], the breakdown voltage under the reverse bias condition increased. This was explained by the trapping of the injected electrons by the positively charged vacancies and CN-related acceptors.

1.
S. W.
Kaun
,
M. H.
Wong
,
U. K.
Mishra
, and
J. S.
Speck
,
Semicond. Sci. Technol.
28
,
074001
(
2013
).
2.
B. J.
Baliga
,
Semicond. Sci. Technol.
28
,
074011
(
2013
).
3.
K.
Cheng
,
H.
Liang
,
M.
Van Hove
,
K.
Geens
,
B.
De Jaeger
,
P.
Srivastava
,
X. W.
Kang
,
P.
Favia
,
H.
Bender
,
S.
Decou-tere
,
J.
Dekoster
,
J. I.
del Agua Borniquel
,
S. W.
Jun
, and
H.
Chung
,
Appl. Phys. Express
5
,
011002
(
2012
).
4.
M.
Van Hove
,
S.
Boulay
,
S. R.
Bahl
,
S.
Stoffels
,
X. W.
Kang
,
D.
Wellekens
,
K.
Geens
,
A.
Delabie
, and
S.
Decou-tere
,
IEEE Electron Device Lett.
33
,
667
(
2012
).
5.
S.
Lenci
,
B.
De Jaeger
,
L.
Carbonell
,
J.
Hu
,
G.
Mannaert
,
D.
Wellekens
,
S.
You
,
B.
Bakeroot
, and
S.
Decoutere
,
IEEE Electron Device Lett.
34
,
1035
(
2013
).
6.
M.
Zhao
,
Y.
Saripalli
,
P. K.
Kandaswamy
,
H.
Liang
,
A.
Firrincieli
,
S.
Decoutere
, and
E.
Vancoille
,
Phys. Status Solidi C
11
,
446
(
2014
).
7.
C.
Poblenz
,
P.
Waltereit
,
S.
Rajan
,
S.
Heikman
,
U. K.
Mishra
, and
J. S.
Speck
,
J. Vac. Sci. Technol. B
22
,
1145
(
2004
).
8.
M. J.
Uren
,
M.
Cäsar
,
M. A.
Gajda
, and
M.
Kuball
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
263505
(
2014
).
9.
X.
Li
,
D.
Zhao
,
D.
Jiang
,
P.
Chen
,
J.
Zhu
,
Z.
Liu
,
L.
Le
,
J.
Yang
, and
X.
He
,
J. Vac. Sci. Technol. B
34
,
011204
(
2015
).
10.
M.
Huber
,
I.
Daumiller
,
A.
Andreev
,
M.
Silvestri
,
L.
Knuuttila
,
A.
Lundskog
,
M.
Wahl
,
M.
Kopnarski
, and
A.
Bonanni
,
J. Appl. Phys.
119
,
125701
(
2016
).
11.
H.
Yacoub
,
D.
Fahle
,
M.
Eickelkamp
,
A.
Wille
,
C.
Mauder
,
M.
Heuken
,
H.
Kalisch
, and
A.
Vescan
,
J. Appl. Phys.
119
,
135704
(
2016
).
12.
J.
Hu
,
S.
Stoffels
,
S.
Lenci
,
G.
Groeseneken
, and
S.
Decoutere
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
310
(
2016
).
13.
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
152108
(
2010
).
14.
D. O.
Demchenko
,
I. C.
Diallo
, and
M. A.
Reshchikov
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
087404
(
2013
).
15.
S.
Stoffels
,
M.
Zhao
,
R.
Venegas
,
P.
Kandaswamy
,
S.
You
,
T.
Novak
,
Y.
Saripalli
,
M.
Van Hove
, and
S.
Decoutere
, in
Proceedings of the IEEE International Electron Devices Meeting
(
2015
), p.
35.4.1
.
16.
R.
Krause-Rehberg
and
H. S.
Leipner
,
Positron Annihilation in Semiconductors, Solid-State Sciences
(
Springer-Verlag
,
Berlin
,
1999
), Vol.
127
.
17.
F.
Tuomisto
and
I.
Makkonen
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
1583
(
2013
).
18.
K.
Saarinen
,
T.
Suski
,
I.
Grzegory
, and
D. C.
Look
,
Physica B
308
,
77
(
2001
).
19.
A.
Uedono
,
S. F.
Chichibu
,
Z. Q.
Chen
,
M.
Sumiya
,
R.
Suzuki
,
T.
Ohdaira
,
T.
Mikado
,
T.
Mukai
, and
S.
Nakamura
,
J. Appl. Phys.
90
,
181
(
2001
).
20.
O.
Moutanabbir
,
R.
Scholz
,
S.
Senz
,
U.
Gösele
,
M.
Chicoine
,
F.
Schiettekatte
,
F.
Süßkraut
, and
R.
Krause-Rehberg
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
031916
(
2008
).
21.
M. J.
Wang
,
L.
Yuan
,
C. C.
Cheng
,
C. D.
Beling
, and
K. J.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
061910
(
2009
).
22.
S.
Hautakangas
,
K.
Saarinen
,
L.
Liszkay
,
J. A.
Freitas
, Jr.
, and
R. L.
Henry
,
Phys. Rev. B
72
,
165303
(
2005
).
23.
J.
Xu
,
Q.
Li
,
W.
Zhang
,
J.
Liu
,
H.
Du
, and
B.
Ye
,
Chem. Phys. Lett.
616–617
,
161
(
2014
).
24.
X. F.
Li
,
Z. Q.
Chen
,
C.
Liu
,
H. J.
Zhang
, and
A.
Kawasuso
,
J. Appl. Phys.
117
,
085706
(
2015
).
25.
M.
Zhao
,
H.
Liang
,
P. K.
Kandaswamy
,
M.
Van Hove
,
R.
Venegas
,
E.
Vranken
,
P.
Favia
,
A.
Vanderheyden
,
D.
Vanhaeren
,
Y. N.
Saripalli
,
S.
Decoutere
, and
R.
Langer
,
Phys. Status Solidi C
13
,
311
(
2016
).
26.
A.
van Veen
,
H.
Schut
,
M.
Clement
,
J. M. M.
de Nijs
,
A.
Kruseman
, and
M. R.
Ijpma
,
Appl. Surf. Sci.
85
,
216
(
1995
).
27.
A.
Uedono
,
S.
Ishibashi
,
N.
Oshima
, and
R.
Suzuki
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
52
,
08JJ02
(
2013
).
28.
S.
Ishibashi
,
T.
Tamura
,
S.
Tanaka
,
M.
Kohyama
, and
K.
Terakura
,
Phys. Rev. B
76
,
153310
(
2007
).
29.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
30.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
31.
E.
Boroński
and
R. M.
Nieminen
,
Phys. Rev. B
34
,
3820
(
1986
).
32.
M. J.
Puska
,
S.
Mäkinen
,
M.
Manninen
, and
R. M.
Nieminen
,
Phys. Rev. B
39
,
7666
(
1989
).
33.
S.
Ishibashi
and
A.
Uedono
,
J. Phys.: Conf. Ser.
674
,
012009
(
2014
).
34.
A.
Zunger
,
S.-H.
Wei
,
L. G.
Ferreira
, and
J. E.
Bernard
,
Phys. Rev. Lett.
65
,
353
(
1990
).
35.
C.
Zhou
,
Q.
Jiang
,
S.
Huang
, and
K. J.
Chen
, in
Proceedings of the International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs
(
2012
), p.
245
.
36.
Z.
Chunhua
,
J.
Qimeng
,
H.
Sen
, and
K. J.
Chen
,
IEEE Electron Device Lett.
33
,
1132
(
2012
).
37.
M. A.
Lampert
,
Phys. Rev.
103
,
1648
(
1956
).
38.
A.
Rizzo
,
G.
Micocci
, and
A.
Tepore
,
J. Appl. Phys.
48
,
3415
(
1977
).
39.
A.
Pérez-Tomás
,
A.
Fontserè
,
J.
Llobet
,
M.
Placidi
,
S.
Rennesson
,
N.
Baron
,
S.
Chenot
,
J. C.
Moreno
, and
Y.
Cordier
,
J. Appl. Phys.
113
,
174501
(
2013
).
40.
H.
Yacoub
,
D.
Fahle
,
M.
Finken
,
H.
Hahn
,
C.
Blumberg
,
W.
Prost
,
H.
Kalisch
,
M.
Heuken
, and
A.
Vescan
,
Semicond. Sci. Technol.
29
,
115012
(
2014
).
41.
A.
Uedono
,
Y.
Tsukada
,
Y.
Mikawa
,
T.
Mochizuki
,
H.
Fujisawa
,
H.
Ikeda
,
K.
Kurihara
,
K.
Fujito
,
S.
Terada
,
S.
Ishibashi
, and
S. F.
Chichibu
,
J. Cryst. Growth
448
,
117
(
2016
).
42.
A.
Uedono
,
S.
Ishibashi
,
K.
Tenjinbayashi
,
T.
Tsutsui
,
K.
Nakahara
,
D.
Takamizu
, and
S. F.
Chichibu
,
J. Appl. Phys.
111
,
014508
(
2012
).
43.
A.
Uedono
,
T.
Fujishima
,
Y.
Cao
,
Y.
Zhang
,
N.
Yoshihara
,
S.
Ishibashi
,
M.
Sumiya
,
O.
Laboutin
,
W.
Johnson
, and
T.
Palacios
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
082110
(
2014
).
44.
A.
Uedono
,
T.
Fujishima
,
D.
Piedra
,
N.
Yoshihara
,
S.
Ishibashi
,
M.
Sumiya
,
O.
Laboutin
,
W.
Johnson
, and
T.
Palacios
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
052108
(
2014
).
45.
S. R.
Lee
,
A. F.
Wright
,
M. H.
Crawford
,
G. A.
Petersen
,
J.
Han
, and
R. M.
Biefeld
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
3344
(
1999
).
46.
M. A.
Reshchikov
and
H.
Morkoç
,
J. Appl. Phys.
97
,
061301
(
2005
).
47.
A. Y.
Polyakov
,
M.
Shin
,
J. A.
Freitas
, Jr.
,
M.
Skowronski
,
D. W.
Greve
, and
R. G.
Wilson
,
J. Appl. Phys.
80
,
6349
(
1996
).
48.
C. H.
Seager
,
A. F.
Wright
,
J.
Yu
, and
W.
Götz
,
J. Appl. Phys.
92
,
6553
(
2002
).
49.
Y.
Zhang
,
M.
Sun
,
H.-Y.
Wong
,
Y.
Lin
,
P.
Srivastava
,
C.
Hatem
,
M.
Azize
,
D.
Piedra
,
L.
Yu
,
T.
Sumitomo
,
N.
de Almeida Braga
,
V.
Mickevicius
, and
T.
Palacios
,
IEEE Trans. Electron Devices
62
,
2155
(
2015
).
50.
E. J.
Miller
,
E. T.
Yu
,
P.
Waltereit
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
535
(
2004
).
51.
A. H.
Cottrell
and
B. A.
Bilby
,
Proc. Phys. Soc.
62A
,
49
(
1949
).
You do not currently have access to this content.