The nonradiative lifetime (τNR) of the near-band-edge emission in various quality GaN samples is compared with the results of positron annihilation measurement, in order to identify the origin and to determine the capture-cross-section of the major intrinsic nonradiative recombination centers (NRCs). The room-temperature τNR of various n-type GaN samples increased with decreasing the concentration of divacancies composed of a Ga vacancy (VGa) and a N vacancy (VN), namely, VGaVN. The τNR value also increased with increasing the diffusion length of positrons, which is almost proportional to the inverse third root of the gross concentration of all point defects. The results indicate that major intrinsic NRC in n-type GaN is VGaVN. From the relationship between its concentration and τNR, its hole capture-cross-section is estimated to be about 7 × 10−14 cm2. Different from the case of 4H-SiC, the major NRCs in p-type and n-type GaN are different: the major NRCs in Mg-doped p-type GaN epilayers are assigned to multiple vacancies containing a VGa and two (or three) VNs, namely, VGa(VN)n (n =2 or 3). The ion-implanted Mg-doped GaN films are found to contain larger size vacancy complexes such as (VGa)3(VN)3. In analogy with GaN, major NRCs in Al0.6Ga0.4N alloys are assigned to vacancy complexes containing an Al vacancy or a VGa.

1.
In the statement of Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2014, Efficient blue light-emitting diodes leading to bright and energy-saving white light sources. Compiled by the Class for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences, October 7,
2014
;
I.
Akasaki
,
Rev. Mod. Phys.
87
,
1119
(
2015
);
H.
Amano
,
Rev. Mod. Phys.
87
,
1133
(
2015
);
S.
Nakamura
,
Rev. Mod. Phys.
87
,
1139
(
2015
);
S.
Nakamura
,
Introduction to Nitride Semiconductor Blue Lasers and Light Emitting Diodes
, edited by
S.
Nakamura
and
S. F.
Chichibu
(
Taylor & Francis
,
London
,
2000
).
2.
S.
Chichibu
,
T.
Azuhata
,
T.
Sota
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
4188
(
1996
).
3.
Y.
Narukawa
,
Y.
Kawakami
,
S.
Fujita
,
S.
Fujita
, and
S.
Nakamura
,
Phys. Rev. B
55
,
R1938
(
1997
).
4.
S. F.
Chichibu
,
A.
Uedono
,
T.
Onuma
,
B. A.
Haskell
,
A.
Chakraborty
,
T.
Koyama
,
P. T.
Fini
,
S.
Keller
,
S. P.
DenBaars
,
J. S.
Speck
,
U. K.
Mishra
,
S.
Nakamura
,
S.
Yamaguchi
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
J.
Han
, and
T.
Sota
,
Nat. Mater.
5
,
810
(
2006
);
[PubMed]
S. F.
Chichibu
,
A.
Uedono
,
T.
Onuma
,
B. A.
Haskell
,
A.
Chakraborty
,
T.
Koyama
,
P. T.
Fini
,
S.
Keller
,
S. P.
DenBaars
,
J. S.
Speck
,
U. K.
Mishra
,
S.
Nakamura
,
S.
Yamaguchi
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
J.
Han
, and
T.
Sota
,
Philos. Mag.
87
,
2019
(
2007
).
5.
S. J.
Pearton
,
J. C.
Zolper
,
R. J.
Shul
, and
F.
Ren
,
J. Appl. Phys.
86
,
1
(
1999
).
6.
D.
Shibata
,
R.
Kajitani
,
M.
Ogawa
,
K.
Tanaka
,
S.
Tamura
,
T.
Hatsuda
,
M.
Ishida
, and
T.
Ueda
, in
IEEE IEDM Technical Digest
(
2016
), p.
248
.
7.
T.
Sugahara
,
H.
Sato
,
M.
Hao
,
Y.
Naoi
,
S.
Kurai
,
S.
Tottori
,
K.
Yamashita
,
K.
Nishino
,
L. T.
Romano
, and
S.
Sakai
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
37
,
L398
(
1998
).
8.
R.
Krause-Rehberg
and
H. S.
Leipner
,
Positron Annihilation in Semiconductors
, Solid-State Sciences (
Springer
,
Berlin
,
1999
), Vol.
127
.
9.
P. G.
Coleman
,
Positron Beams and Their Application
(
World Scientific
,
Singapore
,
2000
).
10.
K.
Saarinen
,
T.
Laine
,
S.
Kuisma
,
J.
Nissilä
,
P.
Hautojärvi
,
L.
Dobrzynski
,
J. M.
Baranowski
,
K.
Pakula
,
R.
Stepniewski
,
M.
Wojdak
,
A.
Wysmolek
,
T.
Suski
,
M.
Leszczynski
,
I.
Grzegory
, and
S.
Porowski
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
3030
(
1997
).
11.
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
).
12.
S. F.
Chichibu
,
A.
Uedono
,
T.
Onuma
,
T.
Sota
,
B. A.
Haskell
,
S. P.
DenBaars
,
J. S.
Speck
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
021914
(
2005
).
13.
S. F.
Chichibu
,
K.
Hazu
,
Y.
Ishikawa
,
M.
Tashiro
,
H.
Namita
,
S.
Nagao
,
K.
Fujito
, and
A.
Uedono
,
J. Appl. Phys.
111
,
103518
(
2012
).
14.
T.
Ogino
and
M.
Aoki
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
19
,
2395
(
1980
).
15.
J.
Neugebauer
and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
50
,
8067
(
1994
);
J.
Neugebauer
and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
503
(
1996
).
16.
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
152108
(
2010
).
17.
A. Y.
Polyakov
,
N. B.
Smirnov
,
A. S.
Usikov
,
A. V.
Govorkov
, and
B. V.
Pushniy
,
Solid-State Electron.
42
,
1959
(
1998
).
18.
V. A.
Joshkin
,
C. A.
Parker
,
S. M.
Bedair
,
J. F.
Muth
,
I. K.
Shmagin
,
R. M.
Kolbas
,
E. L.
Piner
, and
R. J.
Molnar
,
J. Appl. Phys.
86
,
281
(
1999
).
19.
A. F.
Wright
,
J. Appl. Phys.
90
,
1164
(
2001
).
20.
C. G.
Van de Walle
and
J.
Neugebauer
,
J. Appl. Phys.
95
,
3851
(
2004
).
21.
S. F.
Chichibu
,
H.
Miyake
,
Y.
Ishikawa
,
M.
Tashiro
,
T.
Ohtomo
,
K.
Furusawa
,
K.
Hazu
,
K.
Hiramatsu
, and
A.
Uedono
,
J. Appl. Phys.
113
,
213506
(
2013
);
S. F.
Chichibu
,
H.
Miyake
,
Y.
Ishikawa
,
K.
Furusawa
, and
K.
Hiramatsu
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
121602
(
2015
).
22.
T.
Mattila
and
R.
Nieminen
,
Phys. Rev. B
54
,
16676
(
1996
).
23.
C.
Stampfl
and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
65
,
155212
(
2002
).
24.
A.
Van Veen
,
H.
Schut
,
M.
Clement
,
J. M. M.
de Nijs
,
A.
Kruseman
, and
M. R.
Ijpma
,
Appl. Surf. Sci.
85
,
216
(
1995
).
25.
For example, see
K.
Fujito
,
S.
Kubo
,
H.
Nagaoka
,
T.
Mochizuki
,
H.
Namita
, and
S.
Nagao
,
J. Cryst. Growth
311
,
3011
(
2009
).
26.
K.
Fujito
,
K.
Kiyomi
,
T.
Mochizuki
,
H.
Oota
,
H.
Namita
,
S.
Nagao
, and
I.
Fujimura
,
Phys. Status Solidi A
205
,
1056
(
2008
).
27.
Y.
Tsukada
,
Y.
Enatsu
,
S.
Kubo
,
H.
Ikeda
,
K.
Kurihara
,
H.
Matsumoto
,
S.
Nagao
,
Y.
Mikawa
, and
K.
Fujito
,
Jpn. J. Appl. Phys. Part 1
55
,
05FC01
(
2016
).
28.
Y.
Mikawa
,
T.
Ishinabe
,
S.
Kawabata
,
T.
Mochiduki
,
A.
Kojima
,
Y.
Kagamitani
, and
H.
Fujisawa
,
Proc. SPIE
9363
,
936302
(
2015
).
29.
K.
Kojima
,
Y.
Tsukada
,
E.
Furukawa
,
M.
Saito
,
Y.
Mikawa
,
S.
Kubo
,
H.
Ikeda
,
K.
Fujito
,
A.
Uedono
, and
S. F.
Chichibu
,
Appl. Phys. Express
8
,
095501
(
2015
);
K.
Kojima
,
Y.
Tsukada
,
E.
Furukawa
,
M.
Saito
,
Y.
Mikawa
,
S.
Kubo
,
H.
Ikeda
,
K.
Fujito
,
A.
Uedono
, and
S. F.
Chichibu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
05FA03
(
2016
).
30.
A.
Uedono
,
S.
Takashima
,
M.
Edo
,
K.
Ueno
,
H.
Matsuyama
,
H.
Kudo
,
H.
Naramoto
, and
S.
Ishibashi
,
Phys. Status Solidi B
252
,
2794
(
2015
).
31.
A.
Uedono
,
S.
Takashima
,
M.
Edo
,
K.
Ueno
,
H.
Matsuyama
,
W.
Egger
,
T.
Koschine
,
C.
Hugenschmidt
,
M.
Dickmann
,
K.
Kojima
,
S. F.
Chichibu
, and
S.
Ishibashi
, “
Carrier Trapping by Vacancy-Type Defects in Mg-Implanted GaN Studied Using Monoenergetic Positron Beams
,”
Phys. Status Solidi B
(published online).
32.
K.
Kojima
,
S.
Takashima
,
M.
Edo
,
K.
Ueno
,
M.
Shimizu
,
T.
Takahashi
,
S.
Ishibashi
,
A.
Uedono
, and
S. F.
Chichibu
,
Appl. Phys. Express
10
,
061002
(
2017
).
33.
Y.
Shimahara
,
H.
Miyake
,
K.
Hiramatsu
,
F.
Fukuyo
,
T.
Okada
,
H.
Takaoka
, and
H.
Yoshida
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
50
,
095502
(
2011
).
34.
S. F.
Chichibu
,
K.
Kojima
,
A.
Uedono
, and
Y.
Sato
,
Adv. Mater.
29
,
1603644
(
2017
).
35.
M.
Merano
,
S.
Sonderegger
,
A.
Crottini
,
S.
Collin
,
P.
Renucci
,
E.
Pelucchi
,
A.
Malko
,
M. H.
Baier
,
E.
Kapon
,
B.
Deveaud
, and
J. D.
Ganière
,
Nature
438
,
479
(
2005
).
36.
P.
Corfdir
,
P.
Lefebvre
,
J.
Levrat
,
A.
Dussaigne
,
J.-D.
Ganière
,
D.
Martin
,
J.
Ristić
,
T.
Zhu
,
N.
Grandjean
, and
B.
Deveaud-Plédran
,
J. Appl. Phys.
105
,
043102
(
2009
).
37.
Y.
Ishikawa
,
M.
Tashiro
,
K.
Hazu
,
K.
Furusawa
,
H.
Namita
,
S.
Nagao
,
K.
Fujito
, and
S. F.
Chichibu
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
212106
(
2012
).
38.
K.
Furusawa
,
Y.
Ishikawa
,
M.
Tashiro
,
K.
Hazu
,
S.
Nagao
,
H.
Ikeda
,
K.
Fujito
, and
S. F.
Chichibu
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
052108
(
2013
).
39.
S.
Ishibashi
,
T.
Tamura
,
S.
Tanaka
,
M.
Kohyama
, and
K.
Terakura
,
Phys. Rev. B
76
,
153310
(
2007
).
40.
S.
Ishibashi
and
A.
Uedono
,
J. Phys.: Conf. Ser.
505
,
012010
(
2014
).
41.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
42.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
43.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
44.
E.
Boronski
and
R. M.
Nieminen
,
Phys. Rev. B
34
,
3820
(
1986
).
45.
A.
Uedono
,
S.
Ishibashi
,
T.
Ohdaira
, and
R.
Suzuki
,
J. Cryst. Growth
311
,
3075
(
2009
).
46.
K.
Kojima
,
H.
Ikeda
,
K.
Fujito
, and
S. F.
Chichibu
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
032111
(
2017
);
K.
Kojima
,
T.
Ohtomo
,
K.
Ikemura
,
Y.
Yamazaki
,
M.
Saito
,
H.
Ikeda
,
K.
Fujito
, and
S. F.
Chichibu
,
J. Appl. Phys.
120
,
015704
(
2016
).
47.
J.
Feldmann
,
G.
Peter
,
E. O.
Göbel
,
P.
Dawson
,
K.
Moore
,
C.
Foxon
, and
R. J.
Elliot
,
Phys. Rev. Lett.
59
,
2337
(
1987
).
48.
H.
Akiyama
,
S.
Koshiba
,
T.
Someya
,
K.
Wada
,
H.
Noge
,
Y.
Nakamura
,
T.
Inoshita
,
A.
Shimizu
, and
H.
Sakaki
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
924
(
1994
).
49.
K.
Kawakami
,
T.
Nakano
, and
A. A.
Yamaguchi
,
Proc. SPIE
9748
,
97480S
(
2016
).
50.
C. A.
Klein
,
J. Appl. Phys.
39
,
2029
(
1968
).
51.
T.
Onuma
,
Y.
Kagamitani
,
K.
Hazu
,
T.
Ishiguro
,
T.
Fukuda
, and
S. F.
Chichibu
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
043905
(
2012
).
52.
T.
Aggerstam
,
A.
Pinos
,
S.
Marcinkevicius
,
M.
Linnarsson
, and
S.
Lourdudodd
,
J. Electron. Mater.
36
,
1621
(
2007
).
53.
M. A.
Reshchikov
and
H.
Morkoç
,
J. Appl. Phys.
97
,
061301
(
2005
).
54.
A.
Alkauskas
,
Q.
Yan
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
90
,
075202
(
2014
).
55.
K.
Danno
,
D.
Nakamura
, and
T.
Kimoto
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
202109
(
2007
).
56.
I. D.
Booker
and
T.
Kimoto
, in
Europe Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2016
(
Halkidiki, Greece
,
2016
), No. Tu2a.01.
57.
N. T.
Son
,
X. T.
Trinh
,
L. S.
Løvlie
,
B. G.
Svensson
,
K.
Kawahara
,
J.
Suda
,
T.
Kimoto
,
T.
Umeda
,
J.
Isoya
,
T.
Makino
,
T.
Ohshima
, and
E.
Janzén
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
187603
(
2012
).
58.
M. A.
Reshchikov
,
D. O.
Demchenko
,
J. D.
McNamara
,
S. F.
Carrido
, and
R.
Calarco
,
Phys. Rev. B
90
,
035207
(
2014
).
59.
L.
Eckey
,
U.
Gfug
,
J.
Holst
,
A.
Hoffmann
,
A.
Kaschner
,
H.
Siegle
,
C.
Thomsen
,
B.
Schineller
,
K.
Heime
,
M.
Heuken
,
O.
Schön
, and
R.
Beccard
,
J. Appl. Phys.
84
,
5828
(
1998
).
60.
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
).
61.
T.
Oikawa
,
Y.
Saijo
,
S.
Kato
,
T.
Mishima
, and
T.
Nakamura
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
365
,
168
(
2015
).
62.
T.
Narita
,
T.
Kachi
,
K.
Kataoka
, and
T.
Uesugi
,
Appl. Phys. Express
10
,
016501
(
2017
).
63.
T.
Niwa
,
T.
Fujii
, and
T.
Oka
,
Appl. Phys. Express
10
,
091002
(
2017
).
64.
A.
Uedono
,
S.
Ishibashi
,
S.
Keller
,
C.
Moe
,
P.
Cantu
,
T. M.
Katona
,
D. S.
Kamber
,
Y.
Wu
,
E.
Letts
,
S. A.
Newman
,
S.
Nakamura
,
J. S.
Speck
,
U. K.
Mishra
,
S. P.
DenBaars
,
T.
Onuma
, and
S. F.
Chichibu
,
J. Appl. Phys.
105
,
054501
(
2009
);
S. F.
Chichibu
,
T.
Onuma
,
K.
Hazu
, and
A.
Uedono
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
201904
(
2010
).
65.
T.
Onuma
,
S. F.
Chichibu
,
A.
Uedono
,
T.
Sota
,
P.
Cantu
,
T. M.
Katona
,
J. F.
Keading
,
S.
Keller
,
U. K.
Mishra
,
S.
Nakamura
, and
S. P.
DenBaars
,
J. Appl. Phys.
95
,
2495
(
2004
);
S. F.
Chichibu
,
K.
Hazu
,
T.
Onuma
, and
A.
Uedono
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
051902
(
2011
);
A.
Uedono
,
K.
Tenjinbayashi
,
T.
Tsutsui
,
Y.
Shimahara
,
H.
Miyake
,
K.
Hiramatsu
,
N.
Oshima
,
R.
Suzuki
, and
S.
Ishibashi
,
J. Appl. Phys.
111
,
013512
(
2012
).
You do not currently have access to this content.