We present a quantitative model that addresses the influence of incoherent twin boundaries on the electrical properties in β-Ga2O3. This model can explain the mobility collapse below a threshold electron concentration of 1 × 1018 cm−3 as well as partly the low doping efficiency in β-Ga2O3 layers grown homoepitaxially by metal-organic vapor phase epitaxy on (100) substrates of only slight off-orientation. A structural analysis by transmission electron microscopy (TEM) reveals a high density of twin lamellae in these layers. In contrast to the coherent twin boundaries parallel to the (100) plane, the lateral incoherent twin boundaries exhibit one dangling bond per unit cell that acts as an acceptor-like electron trap. Since the twin lamellae are thin, we consider the incoherent twin boundaries to be line defects with a density of 1011–1012 cm−2 as determined by TEM. We estimate the influence of the incoherent twin boundaries on the electrical transport properties by adapting Read's model of charged dislocations. Our calculations quantitatively confirm that the mobility reduction and collapse as well as partly the compensation are due to the presence of twin lamellae.

1.
2.
S.
Ohira
,
N.
Suzuki
,
N.
Arai
,
M.
Tanaka
,
T.
Sugawara
,
K.
Nakajima
, and
T.
Shishido
,
Thin Solid Films
516
,
5763
(
2008
).
3.
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
,
Y.
Yoshikawa
,
T.
Ujiie
, and
K.
Aoki
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
202120
(
2008
).
4.
R.
Suzuki
,
S.
Nakagomi
,
Y.
Kokubun
,
N.
Arai
, and
S.
Ohira
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
222102
(
2009
).
5.
T.
Oshima
,
T.
Okuno
,
N.
Arai
,
N.
Suzuki
,
S.
Ohira
, and
S.
Fujita
,
Appl. Phys. Express
1
,
11202
(
2008
).
6.
A. M.
Armstrong
,
M. H.
Crawford
,
A.
Jayawardena
,
A.
Ahyi
, and
S.
Dhar
,
J. Appl. Phys.
119
,
103102
(
2016
).
7.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Phys. Status Solidi A
211
,
21
(
2014
).
8.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
A.
Koukitu
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
34001
(
2016
).
9.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
T.
Kamimura
,
M. H.
Wong
,
D.
Krishnamurthy
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
123511
(
2013
).
10.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
13504
(
2012
).
11.
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
(
2016
).
12.
H.
Aida
,
K.
Nishiguchi
,
H.
Takeda
,
N.
Aota
,
K.
Sunakawa
, and
Y.
Yaguchi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
47
,
8506
(
2008
).
13.
Y.
Tomm
,
J. M.
Ko
,
A.
Yoshikawa
, and
T.
Fukuda
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
66
,
369
(
2001
).
14.
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
,
Y.
Yoshikawa
,
K.
Aoki
, and
N.
Ichinose
,
J. Cryst. Growth
270
,
420
(
2004
).
15.
N.
Ueda
,
H.
Hosono
,
R.
Waseda
, and
H.
Kawazoe
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
3561
(
1997
).
16.
Y.
Tomm
,
P.
Reiche
,
D.
Klimm
, and
T.
Fukuda
,
J. Cryst. Growth
220
,
510
(
2000
).
17.
Z.
Galazka
,
R.
Uecker
,
K.
Irmscher
,
M.
Albrecht
,
D.
Klimm
,
M.
Pietsch
,
M.
Brützam
,
R.
Bertram
,
S.
Ganschow
, and
R.
Fornari
,
Cryst. Res. Technol.
45
,
1229
(
2010
).
18.
Z.
Galazka
,
K.
Irmscher
,
R.
Uecker
,
R.
Bertram
,
M.
Pietsch
,
A.
Kwasniewski
,
M.
Naumann
,
T.
Schulz
,
R.
Schewski
,
D.
Klimm
, and
M.
Bickermann
,
J. Cryst. Growth
404
,
184
(
2014
).
19.
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
).
20.
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
,
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Express
5
,
35502
(
2012
).
21.
M.-Y.
Tsai
,
O.
Bierwagen
,
M. E.
White
, and
J. S.
Speck
,
J. Vac. Sci. Technol. A: Vacuum, Surfaces, Film.
28
,
354
(
2010
).
22.
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
,
15503
(
2015
).
23.
G.
Wagner
,
M.
Baldini
,
D.
Gogova
,
M.
Schmidbauer
,
R.
Schewski
,
M.
Albrecht
,
Z.
Galazka
,
D.
Klimm
, and
R.
Fornari
,
Phys. Status Solidi
211
,
27
(
2014
).
24.
M.
Baldini
,
M.
Albrecht
,
A.
Fiedler
,
K.
Irmscher
,
D.
Klimm
,
R.
Schewski
, and
G.
Wagner
,
J. Mater. Sci.
51
,
3650
(
2016
).
25.
M.
Baldini
,
M.
Albrecht
,
A.
Fiedler
,
K.
Irmscher
,
R.
Schewski
, and
G.
Wagner
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
Q3040
(
2017
).
26.
S.
Rafique
,
L.
Han
,
A. T.
Neal
,
S.
Mou
,
M. J.
Tadjer
,
R. H.
French
, and
H.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
132103
(
2016
).
27.
K.
Irmscher
,
Z.
Galazka
,
M.
Pietsch
,
R.
Uecker
, and
R.
Fornari
,
J. Appl. Phys.
110
,
063720
(
2011
).
28.
N.
Ma
,
N.
Tanen
,
A.
Verma
,
Z.
Guo
,
T.
Luo
,
H.
(Grace) Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
212101
(
2016
).
29.
K.
Ghosh
and
U.
Singisetti
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
072102
(
2016
).
30.
A.
Parisini
and
R.
Fornari
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
35023
(
2016
).
31.
Y.
Kang
,
K.
Krishnaswamy
,
H.
Peelaers
, and
C. G.
Van De Walle
,
J. Phys.: Condens. Matter
29
,
234001
(
2017
).
32.
R.
Schewski
,
M.
Baldini
,
K.
Irmscher
,
A.
Fiedler
,
T.
Markurt
,
B.
Neuschulz
,
T.
Remmele
,
T.
Schulz
,
G.
Wagner
,
Z.
Galazka
, and
M.
Albrecht
,
J. Appl. Phys.
120
,
225308
(
2016
).
33.
W. T.
Read
,
London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci.
46
,
111
(
1955
).
34.
J.-L.
Farvacque
,
Z.
Bougrioua
, and
I.
Moerman
,
Phys. Rev. B
63
,
115202
(
2001
).
35.
S. E.
Krasavin
,
Semiconductors
46
,
598
(
2012
).
36.
D. C.
Look
and
J. R.
Sizelove
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
1237
(
1999
).
37.
MATLAB
,
Version 8.0.0.783 (R2012b)
(
The MathWorks Inc.
,
Natick, Massachusetts
,
2012
).
38.
J. B.
Varley
,
J. R.
Weber
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
142106
(
2010
).
39.
Z.
Zhang
,
E.
Farzana
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
052105
(
2016
).
40.
S.
Geller
,
J. Chem. Phys.
33
,
676
(
1960
).
41.
W. T.
Read
,
London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci.
45
,
1119
(
1954
).
42.
W. T.
Read
,
London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci.
45
,
775
(
1954
).
43.
B.
Hoeneisen
,
C. A.
Mead
, and
M.-A.
Nicolet
,
Solid State Electron.
14
,
1057
(
1971
).
44.
J. W.
Orton
and
M. J.
Powell
,
Rep. Prog. Phys.
43
,
1263
(
1980
).
45.
O.
Bierwagen
,
R.
Pomraenke
,
S.
Eilers
, and
W. T.
Masselink
,
Phys. Rev. B
70
,
165307
(
2004
).
46.
J. B.
Varley
,
H.
Peelaers
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
J. Phys.: Condens. Matter
23
,
334212
(
2011
).
47.
Y.
Lv
,
J.
Ma
,
W.
Mi
,
C.
Luan
,
Z.
Zhu
, and
H.
Xiao
,
Vacuum
86
,
1850
(
2012
).
You do not currently have access to this content.