Contrary to the arsenides where donors undergo stable DX transition, we find that Ge in AlGaN does not suffer from the DX transition; instead, it undergoes a shallow donor (30 meV) to deep donor (150 meV) transition at ∼50% Al content in the alloy. This finding is of profound technological importance as it removes fundamental doping limitations in AlGaN and AlN imposed by the presumed DX−1 acceptor state. The charge state of Ge below and above the transition was determined by co-doping with Si, which remains a shallow donor in AlGaN for up to 80% Al. It was found that Ge occupied a donor state with a (0/+) thermodynamic transition for AlGaN alloys below and above the transition. Ge as a shallow donor was completely ionized at room temperature; however, the ionization of the deep donor required elevated temperatures, commensurate with its higher ionization energy. This behavior is not unique to Ge; preliminary findings show that Si and O in AlGaN may behave similarly.

1.
Y.
Taniyasu
,
M.
Kasu
, and
T.
Makimoto
,
Nature
441
,
325
(
2006
).
2.
K.
Ban
,
J.
Yamamoto
,
K.
Takeda
,
K.
Ide
,
M.
Iwaya
,
T.
Takeuchi
,
S.
Kamiyama
,
I.
Akasaki
, and
H.
Amano
,
Appl. Phys. Express
4
,
052101
(
2011
).
3.
J. Y.
Tsao
,
S.
Chowdhury
,
M. A.
Hollis
,
D.
Jena
,
N. M.
Johnson
,
K. A.
Jones
,
R. J.
Kaplar
,
S.
Rajan
,
C. G. V.
de Walle
,
E.
Bellotti
,
C. L.
Chua
,
R.
Collazo
,
M. E.
Coltrin
,
J. A.
Cooper
,
K. R.
Evans
,
S.
Graham
,
T. A.
Grotjohn
,
E. R.
Heller
,
M.
Higashiwaki
,
M. S.
Islam
,
P. W.
Juodawlkis
,
M. A.
Khan
,
A. D.
Koehler
,
J. H.
Leach
,
U. K.
Mishra
,
R. J.
Nemanich
,
R. C. N.
Pilawa-Podgurski
,
J. B.
Shealy
,
Z.
Sitar
,
M. J.
Tadjer
,
A. F.
Witulski
,
M.
Wraback
, and
J. A.
Simmons
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1600501
(
2018
).
4.
P.
Bagheri
,
P.
Reddy
,
J. H.
Kim
,
R.
Rounds
,
T.
Sochacki
,
R.
Kirste
,
M.
Bockowski
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
082101
(
2020
).
5.
R.
Collazo
,
S.
Mita
,
J.
Xie
,
A.
Rice
,
J.
Tweedie
,
R.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
Phys. Status Solidi C
8
,
2031
(
2011
).
6.
A.
Bansal
,
K.
Wang
,
J. S.
Lundh
,
S.
Choi
, and
J. M.
Redwing
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
142101
(
2019
).
7.
P.
Bagheri
,
R.
Kirste
,
P.
Reddy
,
S.
Washiyama
,
S.
Mita
,
B.
Sarkar
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
222102
(
2020
).
8.
M. L.
Nakarmi
,
K. H.
Kim
,
K.
Zhu
,
J. Y.
Lin
, and
H. X.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
3769
(
2004
).
9.
B.
Borisov
,
V.
Kuryatkov
,
Y.
Kudryavtsev
,
R.
Asomoza
,
S.
Nikishin
,
D. Y.
Song
,
M.
Holtz
, and
H.
Temkin
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
132106
(
2005
).
10.
F.
Kaess
,
S.
Mita
,
J.
Xie
,
P.
Reddy
,
A.
Klump
,
L. H.
Hernandez-Balderrama
,
S.
Washiyama
,
A.
Franke
,
R.
Kirste
,
A.
Hoffmann
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
120
,
105701
(
2016
).
11.
J. S.
Harris
,
J. N.
Baker
,
B. E.
Gaddy
,
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
K. J.
Mirrielees
,
P.
Reddy
,
R.
Collazo
,
Z.
Sitar
, and
D. L.
Irving
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
152101
(
2018
).
12.
S.
Washiyama
,
P.
Reddy
,
B.
Sarkar
,
M. H.
Breckenridge
,
Q.
Guo
,
P.
Bagheri
,
A.
Klump
,
R.
Kirste
,
J.
Tweedie
,
S.
Mita
,
Z.
Sitar
, and
R.
Collazo
,
J. Appl. Phys.
127
,
105702
(
2020
).
13.
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
S.
Washiyama
,
P.
Reddy
,
B.
Gaddy
,
B.
Sarkar
,
M. H.
Breckenridge
,
Q.
Guo
,
M.
Bobea
,
J.
Tweedie
,
S.
Mita
,
D.
Irving
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
062102
(
2018
).
14.
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
).
15.
S.
Washiyama
,
K. J.
Mirrielees
,
P.
Bagheri
,
J. N.
Baker
,
J.-H.
Kim
,
Q.
Guo
,
R.
Kirste
,
Y.
Guan
,
M. H.
Breckenridge
,
A. J.
Klump
,
P.
Reddy
,
S.
Mita
,
D. L.
Irving
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
042102
(
2021
).
16.
K.
Ikenaga
,
A.
Mishima
,
Y.
Yano
,
T.
Tabuchi
, and
K.
Matsumoto
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
05FE04
(
2016
).
17.
T.
Tanikawa
,
S.
Kuboya
, and
T.
Matsuoka
,
Phys. Status Solidi B
254
,
1600751
(
2017
).
18.
S.
Mita
,
R.
Collazo
,
A.
Rice
,
R. F.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
104
,
013521
(
2008
).
19.
C.
Lund
,
S.
Nakamura
,
S. P.
DenBaars
,
U. K.
Mishra
, and
S.
Keller
,
J. Cryst. Growth
464
,
127
(
2017
).
20.
N. A.
Fichtenbaum
,
T. E.
Mates
,
S.
Keller
,
S. P.
DenBaars
, and
U. K.
Mishra
,
J. Cryst. Growth
310
,
1124
(
2008
).
21.
A. M.
Armstrong
,
M. W.
Moseley
,
A. A.
Allerman
,
M. H.
Crawford
, and
J. J.
Wierer
,
J. Appl. Phys.
117
,
185704
(
2015
).
22.
D. D.
Koleske
,
A. E.
Wickenden
,
R. L.
Henry
, and
M. E.
Twigg
,
J. Cryst. Growth
242
,
55
(
2002
).
23.
P.
Reddy
,
M. P.
Hoffmann
,
F.
Kaess
,
Z.
Bryan
,
I.
Bryan
,
M.
Bobea
,
A.
Klump
,
J.
Tweedie
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
M.
Gerhold
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
120
,
185704
(
2016
).
24.
P.
Reddy
,
F.
Kaess
,
J.
Tweedie
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
152101
(
2017
).
25.
P.
Reddy
,
S.
Washiyama
,
F.
Kaess
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
122
,
245702
(
2017
).
26.
L.
Gordon
,
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
89
,
085204
(
2014
).
27.
J. S.
Harris
,
B. E.
Gaddy
,
R.
Collazo
,
Z.
Sitar
, and
D. L.
Irving
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
054604
(
2019
).
28.
P. M.
Mooney
,
J. Appl. Phys.
67
,
R1
(
1990
).
29.
D. V.
Lang
,
R. A.
Logan
, and
M.
Jaros
,
Phys. Rev. B
19
,
1015
(
1979
).
30.
N.
Lifshitz
,
A.
Jayaraman
,
R. A.
Logan
, and
H. C.
Card
,
Phys. Rev. B
21
,
670
(
1980
).
31.
T.
Fujisawa
,
J.
Yoshino
, and
H.
Kukimoto
,
J. Cryst. Growth
98
,
243
(
1989
).
32.
P. M.
Mooney
,
Radiat. Eff. Defects Solids
111–112
,
281
(
1989
).
33.
J. E.
Dmochowski
,
L.
Dobaczewski
,
J. M.
Langer
, and
W.
Jantsch
,
Phys. Rev. B
40
,
9671
(
1989
).
34.
W.
Shan
,
P. Y.
Yu
,
M. F.
Li
,
W. L.
Hansen
, and
E.
Bauser
,
Phys. Rev. B
40
,
7831
(
1989
).
35.
K.
Khachaturyan
,
E. R.
Weber
, and
M.
Kaminska
,
Mater. Sci. Forum
38–41
,
1067
(
1991
).
36.
M.
Zazoui
,
S. L.
Feng
, and
J. C.
Bourgoin
,
Phys. Rev. B
41
,
8485
(
1990
).
38.
P. Y.
Yu
and
M.
Cardona
,
Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties
, 4th ed. (
Springer
,
Berlin
,
2010
).
39.
D. J.
Chadi
and
K. J.
Chang
,
Phys. Rev. B
39
,
10063
(
1989
).
40.
C.
Wetzel
,
T.
Suski
,
J. W.
Ager
 III
,
E. R.
Weber
,
E. E.
Haller
,
S.
Fischer
,
B. K.
Meyer
,
R. J.
Molnar
, and
P.
Perlin
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
3923
(
1997
).
41.
F.
Mehnke
,
X. T.
Trinh
,
H.
Pingel
,
T.
Wernicke
,
E.
Janzén
,
N. T.
Son
, and
M.
Kneissl
,
J. Appl. Phys.
120
,
145702
(
2016
).
42.
R.
Zeisel
,
M. W.
Bayerl
,
S. T. B.
Goennenwein
,
R.
Dimitrov
,
O.
Ambacher
,
M. S.
Brandt
, and
M.
Stutzmann
,
Phys. Rev. B
61
,
R16283
(
2000
).
43.
N. T.
Son
,
M.
Bickermann
, and
E.
Janzén
,
Phys. Status Solidi C
8
,
2167
(
2011
).
44.
N. T.
Son
,
M.
Bickermann
, and
E.
Janzén
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
092104
(
2011
).
45.
X.
Thang Trinh
,
D.
Nilsson
,
I. G.
Ivanov
,
E.
Janzén
,
A.
Kakanakova-Georgieva
, and
N.
Tien Son
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
042101
(
2013
).
46.
D.
Nilsson
,
X. T.
Trinh
,
E.
Janzén
,
N. T.
Son
, and
A.
Kakanakova-Georgieva
,
Phys. Status Solidi B
252
,
1306
(
2015
).
47.
S. B.
Orlinskii
,
J.
Schmidt
,
P. G.
Baranov
,
M.
Bickermann
,
B. M.
Epelbaum
, and
A.
Winnacker
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
256404
(
2008
).
48.
K.
Irmscher
,
T.
Schulz
,
M.
Albrecht
,
C.
Hartmann
,
J.
Wollweber
, and
R.
Fornari
,
Phys. B: Condens. Matter
401–402
,
323
(
2007
).
49.
C.
Skierbiszewski
,
T.
Suski
,
M.
Leszczynski
,
M.
Shin
,
M.
Skowronski
,
M. D.
Bremser
, and
R. F.
Davis
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
3833
(
1999
).
50.
H. J.
von Bardeleben
,
I.
Buyanova
,
A.
Belyaev
, and
M.
Sheinkman
,
Phys. Rev. B
45
,
11667
(
1992
).
51.
N. G.
Semaltianos
,
G.
Karczewski
,
B.
Hu
,
T.
Wojtowicz
, and
J. K.
Furdyna
,
Phys. Rev. B
51
,
17499
(
1995
).
52.
M. T.
Hirsch
,
J. A.
Wolk
,
W.
Walukiewicz
, and
E. E.
Haller
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
1098
(
1997
).
53.
J. Z.
Li
,
J. Y.
Lin
,
H. X.
Jiang
,
M.
Asif Khan
, and
Q.
Chen
,
J. Appl. Phys.
82
,
1227
(
1997
).
54.
M.
Baj
,
L. H.
Dmowski
, and
T.
Słupiński
,
Phys. Rev. Lett.
71
,
3529
(
1993
).
55.
M.-F.
Li
and
P. Y.
Yu
,
Jpn. J. Appl. Phys.
32
,
200
(
1993
).
56.
S.
Washiyama
,
Y.
Guan
,
S.
Mita
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
127
,
115301
(
2020
).
57.
A.
Klump
,
C.
Zhou
,
F. A.
Stevie
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Vac. Sci. Technol. B
36
,
03F102
(
2018
).
58.
C. J.
Gu
,
F. A.
Stevie
,
C. J.
Hitzman
,
Y. N.
Saripalli
,
M.
Johnson
, and
D. P.
Griffis
,
Appl. Surf. Sci.
252
,
7228
(
2006
).
59.
J.
Tweedie
,
R.
Collazo
,
A.
Rice
,
J.
Xie
,
S.
Mita
,
R.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
108
,
043526
(
2010
).
60.
B. B.
Haidet
,
B.
Sarkar
,
P.
Reddy
,
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
R.
Kirste
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Jpn. J. Appl. Phys.
56
,
100302
(
2017
).
61.
M.
Hayden Breckenridge
,
Q.
Guo
,
A.
Klump
,
B.
Sarkar
,
Y.
Guan
,
J.
Tweedie
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
P.
Reddy
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
172103
(
2020
).
62.
M. H.
Breckenridge
,
P.
Bagheri
,
Q.
Guo
,
B.
Sarkar
,
D.
Khachariya
,
S.
Pavlidis
,
J.
Tweedie
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
P.
Reddy
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
112104
(
2021
).
You do not currently have access to this content.