MgSnN2 with an average wurtzite structure (wz-MgSnN2) has recently emerged as a pseudo-III-nitride semiconductor, studied for applications in tandem solar cells, green light-emitting diodes, and other optoelectronic devices. This compound has only been researched recently, and, therefore, its charge-carrier transport properties are poorly understood. Understanding these properties is essential for optoelectronic applications. In this study, we grew wz-Mg1−xSn1+xN2 biaxially oriented polycrystalline films with x = −0.08 to 0.29 by reactive sputtering and investigated the charge-carrier transport properties using both direct current and optical techniques. We regarded the wz-Mg1−xSn1+xN2 films as magnesium tin oxynitride films (wz-MTNO) because a certain amount of oxygen was unintentionally incorporated into the sputtered wz-Mg1−xSn1+xN2 films. The wz-MTNO layers were n-type degenerate semiconductors with an electron density (ne) of the order of 1020 cm−3. In films with ne > 8 × 1020 cm−3, optically extracted resistivities (ρopt) obtained via a Drude-fit analysis of the infrared transmittance and reflectance spectra were almost identical to the direct-current resistivities (ρdc), indicating that the contribution of grain boundary scattering to the electron transport was negligible. However, the contribution of grain boundary scattering became unignorable with decreasing ne. The Drude-fit analysis also allowed the determination of the conduction-band effective mass (mc*) for the first time. A band edge mass of mc*/m0 ≈ 0.2 (m0 denotes the free-electron mass) was obtained in the wz-MTNO layers with |x| < 0.1. As x was increased from −0.18 to 0.29, mc*/m0 substantially increased from 0.18 to 0.56, indicating that the conduction-band dispersion decreased. That is, the conduction-band dispersion may be affected by the cation composition x. The findings of this study will provide important information to establish this material as a practical nitride semiconductor.

1.
W. R. L.
Lambrecht
and
A.
Punya
, in
III-Nitride Semiconductors and Their Modern Devices
, edited by
B.
Gil
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
2013
), pp.
519
585
.
2.
T. D.
Veal
,
N.
Feldberg
,
N. F.
Quackenbush
,
W. M.
Linhart
,
D. O.
Scanlon
,
L. F. J.
Piper
, and
S. M.
Durbin
,
Adv. Energy Mater.
5
,
1501462
(
2015
).
3.
S.
Lany
,
A. N.
Fioretti
,
P. P.
Zawadzki
,
L. T.
Schelhas
,
E. S.
Toberer
,
A.
Zakutayev
, and
A. C.
Tamboli
,
Phys. Rev. Mater.
1
,
035401
(
2017
).
4.
D.
Skachkov
,
P. C.
Quayle
,
K.
Kash
, and
W. R. L.
Lambrecht
,
Phys. Rev. B
94
,
205201
(
2016
).
5.
R. A.
Makin
,
K.
York
,
S. M.
Durbin
,
N.
Senabulya
,
J.
Mathis
,
R.
Clarke
,
N.
Feldberg
,
P.
Miska
,
C. M.
Jones
,
Z.
Deng
,
L.
Williams
,
E.
Kioupakis
, and
R. J.
Reeves
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
256403
(
2019
).
6.
A. N.
Fioretti
,
A.
Zakutayev
,
H.
Moutinho
,
C.
Melamed
,
J. D.
Perkins
,
A. G.
Norman
,
M.
Al-Jassim
,
E. S.
Toberer
, and
A. C.
Tamboli
,
J. Mater. Chem. C
3
,
11017
(
2015
).
7.
D. C.
Hamilton
,
E.
Arca
,
J.
Pan
,
S.
Siol
,
M.
Young
,
S.
Lany
, and
A.
Zakutayev
,
J. Appl. Phys.
126
,
035701
(
2019
).
8.
N.
Yamada
,
K.
Matsuura
,
M.
Imura
,
H.
Murata
, and
F.
Kawamura
,
ACS Appl. Electron. Mater.
3
,
1341
(
2021
).
9.
P.
Narang
,
S.
Chen
,
N. C.
Coronel
,
S.
Gul
,
J.
Yano
,
L.-W.
Wang
,
N. S.
Lewis
, and
H. A.
Atwater
,
Adv. Mater.
26
,
1235
(
2014
).
10.
N.
Yamada
,
M.
Mizutani
,
K.
Matsuura
,
M.
Imura
,
H.
Murata
,
J.
Jia
, and
F.
Kawamura
,
ACS Appl. Electron. Mater.
3
,
4934
(
2021
).
11.
I.
Ho
and
G. B.
Stringfellow
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
2701
(
1996
).
12.
A.
Punya
,
T. R.
Paudel
, and
W. R. L.
Lambrecht
,
Phys. Status Solidi C
8
,
2492
(
2011
).
13.
A.
Osinsky
,
V.
Fuflyigin
,
L. D.
Zhu
,
A. B.
Goulakov
,
J. W.
Graff
, and
E. F.
Schubert
, in
Proceedings of the IEEE/Cornell Conference on High-Performance Devices
, edited by
M. G.
Adlerstein
(
Cornell University
,
Ithaca
,
NY
,
2000
), pp.
168
172
.
14.
M.
Ogura
,
D.
Han
,
M.
Pointner
,
L. S.
Junkers
,
S. S.
Rudel
,
W.
Schnick
, and
H.
Ebert
,
Phys. Rev. Mater.
5
,
024601
(
2021
).
15.
I. S.
Khan
,
K. N.
Heinselman
, and
A.
Zakutayev
,
J. Phys. Energy
2
,
032007
(
2020
).
16.
T. R.
Paudel
and
W. R. L.
Lambrecht
,
Phys. Rev. B
78
,
115204
(
2008
).
17.
A.
Punya
,
W. R. L.
Lambrecht
, and
M.
van Schilfgaarde
,
Phys. Rev. B
84
,
165204
(
2011
).
18.
L.
Lahourcade
,
N. C.
Coronel
,
K. T.
Delaney
,
S. K.
Shukla
,
N. A.
Spaldin
, and
H. A.
Atwater
,
Adv. Mater.
25
,
2562
(
2013
).
19.
N.
Feldberg
,
J. D.
Aldous
,
W. M.
Linhart
,
L. J.
Phillips
,
K.
Durose
,
P. A.
Stampe
,
R. J.
Kennedy
,
D. O.
Scanlon
,
G.
Vardar
,
R. L.
Field
,
T. Y.
Jen
,
R. S.
Goldman
,
T. D.
Veal
, and
S. M.
Durbin
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
042109
(
2013
).
20.
S.
Chen
,
P.
Narang
,
H. A.
Atwater
, and
L. W.
Wang
,
Adv. Mater.
26
,
311
(
2014
).
21.
F.
Kawamura
,
N.
Yamada
,
M.
Imai
, and
T.
Taniguchi
,
Cryst. Res. Technol.
51
,
220
(
2016
).
22.
A. N.
Fioretti
,
A.
Stokes
,
M. R.
Young
,
B.
Gorman
,
E. S.
Toberer
,
A. C.
Tamboli
, and
A.
Zakutayev
,
Adv. Electron. Mater.
3
,
1600544
(
2017
).
23.
X.
Cao
,
F.
Kawamura
,
Y.
Ninomiya
,
T.
Taniguchi
, and
N.
Yamada
,
Sci. Rep.
7
,
14987
(
2017
).
24.
A. D.
Martinez
,
A. N.
Fioretti
,
E. S.
Toberer
, and
A. C.
Tamboli
,
J. Mater. Chem. A
5
,
11418
(
2017
).
25.
A. N.
Fioretti
,
J.
Pan
,
B. R.
Ortiz
,
C. L.
Melamed
,
P. C.
Dippo
,
L. T.
Schelhas
,
J. D.
Perkins
,
D.
Kuciauskas
,
S.
Lany
,
A.
Zakutayev
,
E. S.
Toberer
, and
A. C.
Tamboli
,
Mater. Horiz.
5
,
823
(
2018
).
26.
F.
Kawamura
,
N.
Yamada
,
X.
Cao
,
M.
Imai
, and
T.
Taniguchi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
58
,
SC1034
(
2019
).
27.
X.
Cao
,
F.
Kawamura
,
T.
Taniguchi
, and
N.
Yamada
,
BMC Mater.
2
,
4
(
2020
).
28.
D.
Gogova
,
V. S.
Olsen
,
C.
Bazioti
,
I.-H.
Lee
,
Ø.
Prytz
,
L.
Vines
, and
A. Y.
Kuznetsov
,
CrystEngComm
22
,
6268
(
2020
).
29.
A. M.
Shing
,
N. C.
Coronel
,
N. S.
Lewis
, and
H. A.
Atwater
,
APL Mater.
3
,
076104
(
2015
).
30.
A. M.
Shing
,
Y.
Tolstova
,
N. S.
Lewis
, and
H. A.
Atwater
,
Sci. Rep.
7
,
11990
(
2017
).
31.
N.
Beddelem
,
S.
Bruyère
,
F.
Cleymand
,
S.
Diliberto
,
C.
Longeaud
,
S. l.
Gall
,
R.
Templier
,
P.
Miska
, and
B.
Hyot
,
Thin Solid Films
709
,
138192
(
2020
).
32.
R.
Qin
,
H.
Cao
,
L.
Liang
,
Y.
Xie
,
F.
Zhuge
,
H.
Zhang
,
J.
Gao
,
K.
Javaid
,
C.
Liu
, and
W.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
142104
(
2016
).
33.
K.
Javaid
,
J.
Yu
,
W.
Wu
,
J.
Wang
,
H.
Zhang
,
J.
Gao
,
F.
Zhuge
,
L.
Liang
, and
H.
Cao
,
Phys. Status Solidi RRL
12
,
1700332
(
2018
).
34.
A. P.
Jaroenjittichai
and
W. R. L.
Lambrecht
,
Phys. Rev. B
94
,
125201
(
2016
).
35.
S.
Lyu
and
W. R. L.
Lambrecht
,
Solid State Commun.
299
,
113664
(
2019
).
36.
F.
Kawamura
,
M.
Imura
,
H.
Murata
,
N.
Yamada
, and
T.
Taniguchi
,
Eur. J. Inorg. Chem.
2020
,
446
(
2020
).
37.
A. L.
Greenaway
,
A. L.
Loutris
,
K. N.
Heinselman
,
C. L.
Melamed
,
R. R.
Schnepf
,
M. B.
Tellekamp
,
R.
Woods-Robinson
,
R.
Sherbondy
,
D.
Bardgett
,
S.
Bauers
,
A.
Zakutayev
,
S. T.
Christensen
,
S.
Lany
, and
A. C.
Tamboli
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
8421
(
2020
).
38.
K. R.
York
,
R. A.
Makin
,
N.
Senabulya
,
J. P.
Mathis
,
R.
Clarke
,
R. J.
Reeves
, and
S. M.
Durbin
,
J. Electron. Mater.
50
,
2949
(
2021
).
39.
B. B.
Dumre
,
D.
Gall
, and
S. V.
Khare
,
J. Phys. Chem. Solids
153
,
110011
(
2021
).
40.
P.
Wu
,
X.
Cao
,
T.
Tiedje
, and
N.
Yamada
,
Mater. Lett.
236
,
649
(
2019
).
41.
E.
Burstein
,
Phys. Rev.
93
,
632
(
1954
).
42.
T. S.
Moss
,
Proc. Phys. Soc. Sect. B
67
,
775
(
1954
).
43.
F.
Alnjiman
,
S.
Diliberto
,
J.
Ghanbaja
,
E.
Haye
,
S.
Kassavetis
,
P.
Patsalas
,
C.
Gendarme
,
S.
Bruyere
,
F.
Cleymand
,
P.
Miska
,
P.
Boulet
, and
J. F.
Pierson
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
182
,
30
(
2018
).
44.
T. J.
Coutts
,
D. L.
Young
, and
T. A.
Gessert
, in
Handbook of Transparent Conductors
, edited by
D. S.
Ginley
,
H.
Hosono
, and
D. C.
Paine
(
Springer
,
New York
,
2010
), Chap. 3.
45.
P.
Grosse
,
Freie Elektronen in Festkörpern
(
Springer
,
Berlin
,
1979
).
46.
M.
Mizutani
,
S.
Yata
,
K.
Matsuura
,
F.
Kawamura
,
M.
Imura
,
H.
Murata
,
J.
Jia
, and
N.
Yamada
, paper presented at the 82nd JSAP Autumn Meeting, Meijyo University, Nagoya, Japan, 2021.
47.
N. W.
Ashcroft
and
N. D.
Mermin
,
Solid State Physics
(
Holt, Rinehart and Winston
,
1976
), Chap. 1.
48.
I.
Shalish
,
L.
Kronik
,
G.
Segal
,
Y.
Shapira
,
S.
Zamir
,
B.
Meyler
, and
J.
Salzman
,
Phys. Rev. B
61
,
15573
(
2000
).
49.
J. W.
Orton
and
M. J.
Powell
,
Rep. Prog. Phys.
43
,
1263
(
1980
).
50.
E.
Shanthi
,
A.
Banerjee
,
V.
Dutta
, and
K. L.
Chopra
,
Thin Solid Films
71
,
237
(
1980
).
51.
T.
Minami
,
H.
Nanto
,
S.
Shooji
, and
S.
Takata
,
Thin Solid Films
111
,
167
(
1984
).
52.
A.
Gupta
,
P.
Gupta
, and
V. K.
Srivastava
,
Thin Solid Films
123
,
325
(
1985
).
53.
S.
Takata
,
T.
Minami
, and
H.
Nanto
,
Thin Solid Films
135
,
183
(
1986
).
54.
Z.
Bougrioua
,
J.-L.
Farvacque
,
I.
Moerman
,
P.
Demeester
,
J. J.
Harris
,
K.
Lee
,
G.
van Tendeloo
,
O.
Lebedev
, and
E. J.
Thrush
,
Phys. Status Solidi B
216
,
571
(
1999
).
55.
Y.
Zhang
,
X.
Wang
,
X.
Zheng
,
G.
Chen
,
D.
Ma
,
F.
Xu
,
N.
Tang
,
W.
Ge
, and
B.
Shen
,
Appl. Phys. Express
6
,
021001
(
2013
).
56.
S.
Syed
,
J. B.
Heroux
,
Y. J.
Wang
,
M. J.
Manfra
,
R. J.
Molnar
, and
H. L.
Stormer
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
4553
(
2003
).
57.
W.
Knap
,
H.
Alause
,
J. M.
Bluet
,
J.
Camassel
,
J.
Young
,
M.
Asif Khan
,
Q.
Chen
,
S.
Huant
, and
M.
Shur
,
Solid State Commun.
99
,
195
(
1996
).
58.
W.
Knap
,
S.
Contreras
,
H.
Alause
,
C.
Skierbiszewski
,
J.
Camassel
,
M.
Dyakonov
,
J. L.
Robert
,
J.
Yang
,
Q.
Chen
,
M.
Asif Khan
,
M. L.
Sadowski
,
S.
Huant
,
F. H.
Yang
,
M.
Goiran
,
J.
Leotin
, and
M. S.
Shur
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
2123
(
1997
).
59.
M.
Goiran
,
M.
Millot
,
J.-M.
Poumirol
,
I.
Gherasoiu
,
W.
Walukiewicz
, and
J.
Leotin
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
052117
(
2010
).
60.
J.
Wu
,
W.
Walukiewicz
,
W.
Shan
,
K. M.
Yu
,
J. W.
Ager
 III
,
E. E.
Haller
,
H.
Lu
, and
W. J.
Schaff
,
Phys. Rev. B
66
,
201403
(
2002
).
61.
X.
Cao
,
Y.
Yamaguchi
,
Y.
Ninomiya
, and
N.
Yamada
,
J. Appl. Phys.
119
,
025104
(
2016
).
62.
D. M.
Szmyd
,
P.
Porro
,
A.
Majerfeld
, and
S.
Lagomarsino
,
J. Appl. Phys.
68
,
2367
(
1990
).
63.
W. G.
Spitzer
and
H. Y.
Fan
,
Phys. Rev.
106
,
882
(
1957
).
64.
Y.
Furubayashi
,
N.
Yamada
,
Y.
Hirose
,
Y.
Yamamoto
,
M.
Otani
,
T.
Hitosugi
,
T.
Shimada
, and
T.
Hasegawa
,
J. Appl. Phys.
101
,
093705
(
2007
).
65.
Y.
Hirose
,
N.
Yamada
,
S.
Nakao
,
T.
Hitosugi
,
T.
Shimada
, and
T.
Hasegawa
,
Phys. Rev. B
79
,
165108
(
2009
).
66.
T.
Minami
,
H.
Sato
,
K.
Ohashi
,
T.
Tomofuji
, and
S.
Takata
,
J. Cryst. Growth
117
,
370
(
1992
).
67.
H.
Fujiwara
and
M.
Kondo
,
Phys. Rev. B
71
,
075109
(
2005
).
68.
J. S.
Kim
,
J. H.
Jeong
,
J. K.
Park
,
Y. J.
Baik
,
I. H.
Kim
,
T. Y.
Seong
, and
W. M.
Kim
,
J. Appl. Phys.
111
,
123507
(
2012
).
69.
X.
Wu
,
T. J.
Coutts
, and
W. P.
Mulligan
,
J. Vac. Sci. Technol. A
15
,
1057
(
1997
).
70.
T.
Pisarkiewicz
,
K.
Zakrzewska
, and
E.
Leja
,
Thin Solid Films
174
,
217
(
1989
).
71.
E. O.
Kane
,
J. Phys. Chem. Solids
1
,
249
(
1957
).
72.
Y.
Zhu
,
R. J.
Mendelsberg
,
J.
Zhu
,
J.
Han
, and
A.
Anders
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
46
,
195102
(
2013
).
73.
C. A.
Niedermeier
,
S.
Rhode
,
K.
Ide
,
H.
Hiramatsu
,
H.
Hosono
,
T.
Kamiya
, and
M. A.
Moram
,
Phys. Rev. B
95
,
161202(R)
(
2017
).
74.
L. D.
Whalley
,
J. M.
Frost
,
B. J.
Morgan
, and
A.
Walsh
,
Phys. Rev. B
99
,
085207
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.