β-Ga2O3 thin films were grown on the substrates of sapphire, GaN, and single crystals of β-Ga2O3, using plasma-assisted molecular beam epitaxy. By varying deposition conditions, pure-phase epitaxial β-Ga2O3 thin films were obtained, and the crystal quality of the as-grown films was optimized. A systematic characterization and a detailed analysis were performed on the films, including the nucleation process, surface morphology, crystal quality, thermal stability, as well as electrical and optical properties. Optical absorption was investigated using photothermal deflection spectroscopy, which provides detailed information about sub-gap optical absorption. Photocurrent measurements indicated a pronounced persistent photo-conductivity of β-Ga2O3. A blue-UV emission with an energy of 3–3.5 eV was observed by cathodoluminescence spectroscopy. The Fermi level position of the as-grown film was determined based on temperature-dependent electrical conductivity measurements. It is proposed that oxygen vacancies in the film form a defect band at around Ec-0.8 eV that pins the Fermi level and is related to the observed photocurrent and cathodoluminescence characteristics.

1.
S.
Geller
,
J. Chem. Phys.
33
,
676
(
1960
).
2.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Phys. Status Solidi A
211
,
21
(
2014
).
3.
K.
Matsuzaki
,
H.
Hiramatsu
,
K.
Nomura
,
H.
Yanagi
,
T.
Kamiya
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Thin Solid Films
496
,
37
(
2006
).
4.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
013504
(
2012
).
5.
Z.
Hajnal
,
J.
Miró
,
G.
Kiss
,
F.
Réti
,
P.
Deák
,
R. C.
Herndon
, and
J. M.
Kuperberg
,
J. Appl. Phys.
86
,
3792
(
1999
).
6.
N.
Ueda
,
H.
Hosono
,
R.
Waseda
, and
H.
Kawazoe
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
3561
(
1997
).
7.
N.
Suzuki
,
S.
Ohira
,
M.
Tanaka
,
T.
Sugawara
,
K.
Nakajima
, and
T.
Shishido
,
Phys. Status Solidi C
4
,
2310
(
2007
).
8.
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
,
Y.
Yoshikawa
,
T.
Ujiie
, and
K.
Aoki
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
202120
(
2008
).
9.
M.
Passlack
,
M.
Hong
, and
J. P.
Mannaerts
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
1099
(
1996
).
10.
Z.
Li
,
C.
de Groot
, and
J. H.
Moodera
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3630
(
2000
).
11.
L.
Binet
and
D.
Gourier
,
J. Phys. Chem. Solids
59
,
1241
(
1998
).
12.
M.
Fleischer
and
H.
Meixner
,
J. Appl. Phys.
74
,
300
(
1993
).
13.
Y.
Kokubun
,
K.
Miura
,
F.
Endo
, and
S.
Nakagomi
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
031912
(
2007
).
14.
Y.
Ohya
,
J.
Okano
,
Y.
Kasuya
, and
T.
Ban
,
J. Ceram. Soc. Jpn.
117
,
973
(
2009
).
15.
M.
Ogita
,
N.
Saika
,
Y.
Hakanishi
, and
Y.
Hatanaka
,
Appl. Surf. Sci.
142
,
188
(
1999
).
16.
V.
Gottschalch
,
K.
Mergenthaler
,
G.
Wagner
,
J.
Bauer
,
H.
Paetzelt
,
C.
Sturm
, and
U.
Teschner
,
Phys. Status. Solidi. A
206
,
243
(
2009
).
17.
D. H.
Kim
,
S. H.
Yoo
,
T. M.
Chung
,
K. S.
An
,
H. S.
Yoo
, and
Y.
Kim
,
Bull. Korean Chem. Soc.
23
,
225
(
2002
).
18.
S. L.
Ou
,
D. S.
Wuu
,
Y. C.
Fu
,
S. P.
Liu
,
R. H.
Horng
,
L.
Liu
, and
Z. C.
Feng
,
Mater. Chem. Phys.
133
,
700
(
2012
).
19.
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
, and
K.
Kitamura
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
031105
(
2006
).
20.
X. Z.
Liu
,
P.
Guo
,
T.
Sheng
,
L. X.
Qian
,
W. L.
Zhang
, and
Y. R.
Li
,
Opt. Mater.
51
,
203
(
2016
).
21.
P.
Vogt
and
O.
Bierwagen
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
072101
(
2016
).
22.
Y.
Oshima
,
E.
Ahmadi
,
S.
Kaun
,
F.
Wu
, and
J. S.
Speck
,
Semicond. Sci. Tech.
33
,
015013
(
2017
).
23.
S.
Ghose
and
Md. S.
Rahman
,
J. Vac. Sci. Technol. B
34
,
02L109
(
2016
).
24.
A.
Arias
,
N.
Nedev
,
S.
Ghose
,
J. S. R.
Ramirez
,
D.
Mateos
,
M. C.
Alvarez
,
O.
Pérez
,
M.
Suárez
,
B. V.
Salas,
and
R.
Droopad
,
Adv. Mater. Sci. Eng.
2018
,
9450157
(
2018
).
25.
S.
Ghose
,
S.
Rahman
,
L.
Hong
,
J. S. R.
Ramirez
,
H.
Jin
,
K.
Park
,
R.
Klie
, and
R.
Droopad
,
J. Appl. Phys.
122
,
095302
(
2017
).
26.
K.
Sasaki
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
J. Cryst. Growth
392
,
30
(
2014
).
27.
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
,
E. G.
Víllora
,
K.
Shimamura
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Express
5
,
035502
(
2012
).
28.
T.
Oshima
,
T.
Okuno
, and
S.
Fujita
,
Jpn. J. Appl. Phys.
46
,
7217
(
2007
).
29.
T.
Oshima
,
N.
Arai
,
N.
Suzuki
,
S.
Ohira
, and
S.
Fujita
,
Thin Solid Films
516
,
5768
(
2008
).
30.
M. Y.
Tsai
,
O.
Bierwagen
,
M. E.
White
, and
J. S.
Speck
,
J. Vac. Sci. Technol. A
28
,
354
(
2010
).
31.
H.
Okumura
,
M.
Kita
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
M.
Higashiwaki
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Express
7
,
095501
(
2014
).
32.
S.
Nakagomi
and
Y.
Kokubun
,
Phys. Status Solidi B
253
,
1217
(
2016
).
33.
T. G.
Allen
and
A.
Cuevas
,
Phys. Status Solidi RRL
9
,
220
(
2015
).
34.
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
(
2015
).
35.
Z.
Li
,
X. D.
Hu
,
K.
Chen
,
R. J.
Nie
,
X. H.
Luo
,
X. P.
Zhang
,
T. J.
Yu
,
B.
Zhang
,
S.
Chen
,
Z. J.
Yang
,
Z. Z.
Chen
, and
G. Y.
Zhang
,
Micron
36
,
281
(
2005
).
36.
D. J.
Fu
,
Y. H.
Kwon
,
T. W.
Kang
,
C. J.
Park
,
K. H.
Baek
,
H. Y.
Cho
,
D. H.
Shin
,
C. H.
Lee
, and
K. S.
Chung
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
446
(
2002
).
37.
A.
Bergmaier
,
G.
Dollinger
, and
C.
Frey
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
136–138
,
638
(
1998
).
38.
O.
Ambacher
,
W.
Rieger
,
P.
Ansmann
,
H.
Angerer
,
T. D.
Moustakas
, and
M.
Stutzmann
,
Solid State Commun.
97
,
365
(
1996
).
39.
Y. P.
Chen
,
H. W.
Liang
,
X. C.
Xia
,
P. C.
Tao
,
R. S.
Shen
,
Y.
Liu
,
Y. B.
Feng
,
Y. H.
Zheng
,
X. N.
Li
, and
G. T.
Du
,
J. Mater. Sci Mater. Electron.
26
,
3231
(
2015
).
40.
S.
Ohira
and
N.
Arai
,
Phys. Status Solidi C
5
,
3116
(
2008
).
41.
S. J.
Hao
,
M.
Hetzl
,
S.
Matich
,
F.
Schuster
,
Q. L.
Sai
,
C. T.
Xia
,
M.
Wiesinger
,
M.
Lottner
, and
M.
Stutzmann
“Subgap absorption of homo- and hetero-epitaxial beta-Ga2O3 layers” (unpublished).
42.
O.
Ambacher
,
M. S.
Brandt
,
R.
Dimitrov
,
T.
Metzger
,
M.
Stutzmann
,
R. A.
Fischer
,
A.
Miehr
,
A.
Bergmaier
, and
G.
Dollinger
,
J Vac. Sci. Technol. B
14
,
3532
(
1996
).
43.
S.
Rafique
,
L.
Han
,
M. J.
Tadjer
,
J. A.
Freitas
, Jr.
,
N. A.
Mahadik
, and
H. P.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
182105
(
2016
).
44.
Z.
Zhang
,
E.
Farzana
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
052105
(
2016
).
45.
A.
Winnerl
,
R. N.
Pereira
, and
M.
Stutzmann
,
Phys. Rev. B
91
,
075316
(
2015
).
You do not currently have access to this content.