Single-crystal AlN/diamond heterojunction with high-density interface hole channel is successfully obtained by metal-organic vapor phase epitaxy. The AlN layer is epitaxially grown on hydrogen-terminated (H-)diamond(111) substrate. The thermal treatment of diamond substrate just before AlN growth under hydrogen and ammonia mixture environment at 1250 °C leads to surface sheet hole density as high as ∼1.0 × 1014 cm−2 without structural reconstruction of diamond surface. In addition, the use of smaller off-cut angle (0.20 ± 0.25°) H-diamond(111) substrate combined with this treatment enables to obtain single-crystal epitaxial AlN layer, which simultaneously acts as passivation of the surface hole channel with such a high density. The AlN/H-diamond(111) heterojunction reveals type-II staggered energy band configuration with valence band offset of ∼2.0 eV, which is suitable for the fabrication of p-channel field-effect transistor using AlN-gate-insulator/diamond heterojunction. These results are promising for the development of AlN/diamond hybrid power electronic devices.

1.
C. R.
Miskys
,
J. A.
Garrido
,
C. E.
Nebel
,
M.
Hermann
,
O.
Ambacher
,
M.
Eickhoff
, and
M.
Stutzmann
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
290
(
2003
).
2.
C. E.
Nebel
,
C. R.
Miskys
,
J. A.
Garrido
,
M.
Hermann
,
O.
Ambacher
,
M.
Eickhoff
, and
M.
Stutzmann
,
Diamond Relat. Mater.
12
,
1873
(
2003
).
3.
D.
Kueck
,
P.
Leber
,
A.
Schmidt
,
G.
Speranza
, and
E.
Kohn
,
Diamond Relat. Mater.
19
,
932
(
2010
).
4.
M. B.
Assouar
,
O.
Elmazria
,
P.
Kirsch
,
P.
Alnot
,
V.
Mortet
, and
C.
Tiusan
,
J. Appl. Phys.
101
,
114507
(
2007
).
5.
Y.
Taniyasu
and
M.
Kasu
,
J. Cryst. Growth
311
,
2825
(
2009
).
6.
A.
Dussaigne
,
M.
Malinverni
,
D.
Martin
,
A.
Castiglia
, and
N.
Grandjean
,
J. Cryst. Growth
311
,
4539
(
2009
).
7.
K.
Hirama
,
Y.
Taniyasu
, and
M.
Kasu
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
011908
(
2011
).
8.
K.
Hirama
,
M.
Kasu
, and
Y.
Taniyasu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
51
,
01AG09
(
2012
).
9.
A.
Dussaigne
,
M.
Gonschorek
,
M.
Malinverni
,
M. A.
Py
,
D.
Martin
,
A.
Mouti
,
P.
Stadelmann
, and
N.
Grandjean
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
49
,
061001
(
2010
).
10.
M.
Imura
,
R.
Hayakawa
,
E.
Watanabe
,
M.
Liao
,
Y.
Koide
, and
H.
Amano
,
Phys. Status Solidi RRL
5
,
125
(
2011
).
11.
M.
Imura
,
R.
Hayakawa
,
H.
Ohsato
,
E.
Watanabe
,
D.
Tsuya
,
T.
Nagata
,
M.
Liao
,
Y.
Koide
,
J.
Yamamoto
,
K.
Ban
,
M.
Iwaya
, and
H.
Amano
,
Diamond Relat. Mater.
24
,
206
(
2012
).
12.
M.
Imura
,
K.
Nakajima
,
M.
Liao
,
Y.
Koide
, and
H.
Amano
,
J. Cryst. Growth
312
,
1325
(
2010
).
13.
M.
Imura
,
K.
Nakano
,
T.
Kitano
,
N.
Fujimoto
,
N.
Okada
,
K.
Balakrishnan
,
M.
Iwaya
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
K.
Shimono
,
T.
Noro
,
T.
Takagi
, and
A.
Bandoh
,
Phys. Status Solidi A
203
,
1626
(
2006
).
14.
M.
Imura
,
K.
Nakano
,
N.
Fujimoto
,
N.
Okada
,
K.
Balakrishnan
,
M.
Iwaya
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
T.
Noro
,
T.
Takagi
, and
A.
Bandoh
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
46
,
1458
(
2007
).
15.
K.
Shi
,
D. B.
Li
,
H. P.
Song
,
Y.
Guo
,
J.
Wang
, and
X. Q.
Xu
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
50
(
2011
).
16.
K.
Shi
,
X. L.
Liu
,
D. B.
Li
,
J.
Wang
,
H. P.
Song
,
X. Q.
Xu
,
H. Y.
Wei
,
C. M.
Jiao
,
S. Y.
Yang
,
H.
Song
,
Q. S.
Zhu
, and
Z. G.
Wang
,
Appl. Surf. Sci.
257
,
8110
(
2011
).
17.
M.
Imura
,
A.
Hoshino
,
K.
Nakano
,
M.
Tsuda
,
M.
Iwaya
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
, and
I.
Akasaki
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
7418
(
2005
).
18.
J.-J.
Wu
,
K.
Okuura
,
K.
Fujita
,
K.
Okumura
,
H.
Miyake
, and
K.
Hiramatsu
,
J. Cryst. Growth
311
,
4473
(
2009
).
19.
G.
Vogg
,
C. R.
Miskys
,
J. A.
Garrido
,
M.
Hermann
,
M.
Eickhoff
, and
M.
Stutzmann
,
J. Appl. Phys.
96
,
895
(
2004
).
20.
C. R.
Miskys
,
J. A.
Garrido
,
M.
Hermann
,
M.
Eickhoff
,
C. E.
Nebel
,
M.
Stutzmann
, and
G.
Vogg
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
3699
(
2004
).
21.
K.
Hirama
,
Y.
Taniyasu
, and
M.
Kasu
,
J. Appl. Phys.
108
,
013528
(
2010
).
22.
H.
Kröncke
,
S.
Figge
,
B. M.
Epelbaum
, and
D.
Hommel
,
Acta Phys. Pol., A
114
,
1193
(
2008
).
23.
J. W.
Liu
,
M. Y.
Liao
,
M.
Imura
, and
Y.
Koide
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
252108
(
2012
).
24.
P. D. C.
King
,
T. D.
Veal
,
C. F.
McConville
,
F.
Fuchs
,
J.
Furthmüller
,
F.
Bechstedt
,
J.
Schörmann
,
D. J.
As
,
K.
Lischka
,
H.
Lu
, and
W. J.
Schaff
,
Phys. Rev. B
77
,
115213
(
2008
).
25.
M.
Imura
,
S.
Tsuda
,
T.
Nagata
,
H.
Takeda
,
M.
Liao
,
A.
Yang
,
Y.
Yamashita
,
H.
Yoshikawa
,
Y.
Koide
,
K.
Kobayashi
,
T.
Yamaguchi
,
M.
Kaneko
,
N.
Uematsu
,
T.
Araki
, and
Y.
Nanishi
,
J. Appl. Phys.
114
,
033505
(
2013
).
26.
M.
Kubovic
,
M.
Kasu
, and
H.
Kageshima
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
052101
(
2010
).
27.
S. A. O.
Russell
,
L.
Cao
,
D.
Qi
,
A.
Tallaire
,
K. G.
Crawford
,
A. T. S.
Wee
, and
D. A. J.
Moran
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
202112
(
2013
).
28.
M.
Tordjman
,
C.
Saguy
,
A.
Bolker
, and
R.
Kalish
,
Adv. Mater. Interfaces
1
,
1300155
(
2014
).
29.
K. G.
Crawford
,
L.
Cao
,
D.
Qi
,
A.
Tallaire
,
E.
Limiti
,
C.
Verona
,
A. T. S.
Wee
, and
D. A. J.
Moran
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
042103
(
2016
).
30.
J. W.
Liu
,
M. Y.
Liao
,
M.
Imura
,
H.
Oosato
,
E.
Watanabe
,
A.
Tanaka
,
H.
Iwai
, and
Y.
Koide
,
J. Appl. Phys.
114
,
084108
(
2013
).
31.
J. W.
Liu
,
M. Y.
Liao
,
S. H.
Cheng
,
M.
Imura
, and
Y.
Koide
,
J. Appl. Phys.
113
,
123706
(
2013
).
You do not currently have access to this content.