The precise control of Mg concentration ([Mg]) in p-type GaN layers from 2.3 × 1016 to 2.0 × 1019 cm−3 was demonstrated by halide vapor phase epitaxy (HVPE) on n-type GaN (0001) freestanding substrates. [Mg] in GaN layers could be controlled well by varying the input partial pressure of MgCl2 formed by a chemical reaction between MgO solid and HCl gas under the thermodynamic equilibrium condition. In the sample with [Mg] of 2.0 × 1019 cm−3, a step-bunched surface was observed because the surface migration of Ga adatoms was enhanced by the surfactant effect of Mg atoms. The samples show high structural qualities determined from x-ray rocking curve measurements. The acceptor concentration was in good agreement with [Mg], indicating that almost all Mg atoms act as acceptors. The compensating donor concentrations in the samples were higher than the concentrations of Si, O, and C impurities. We also obtained the Mg acceptor level at a sufficiently low net acceptor concentration of 245 ± 2 meV. These results show that the HVPE method is promising for fabricating GaN vertical power devices, such as n-channel metal–oxide–semiconductor field-effect transistors.

1.
H.
Amano
,
M.
Kito
,
K.
Hiramatsu
, and
I.
Akasaki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
28
,
L2112
(
1989
).
2.
S.
Nakamura
,
T.
Mukai
,
M.
Senoh
, and
N.
Iwasa
,
Jpn. J. Appl. Phys.
31
,
L139
(
1992
).
3.
I.
Akasaki
and
H.
Amano
,
Jpn. J. Appl. Phys.
45
,
9001
(
2006
).
4.
S.
Nakamura
,
T.
Mukai
, and
M.
Senoh
,
Appl. Phys. Lett.
64
,
1687
(
1994
).
5.
S.
Nagahama
,
N.
Iwasa
,
M.
Senoh
,
T.
Matsushita
,
Y.
Sugimoto
,
H.
Kiyoku
,
T.
Kozaki
,
M.
Sano
,
H.
Matsumura
, and
H.
Umemoto
,
Jpn. J. Appl. Phys.
39
,
L647
(
2000
).
6.
T.
Kachi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
53
,
100210
(
2014
).
7.
H.
Amano
,
Y.
Baines
,
E.
Beam
,
M.
Borga
,
T.
Bouchet
,
P. R.
Chalker
,
M.
Charles
,
K. J.
Chen
,
N.
Chowdhury
,
R.
Chu
,
C.
De Santi
,
M. M.
De Souza
,
S.
Decoutere
,
L.
Di Cioccio
,
B.
Eckardt
,
T.
Egawa
,
P.
Fay
,
J. J.
Freedsman
,
L.
Guido
,
O.
Häberlen
,
G.
Haynes
,
T.
Heckel
,
D.
Hemakumara
,
P.
Houston
,
J.
Hu
,
M.
Hua
,
Q.
Huang
,
A.
Huang
,
S.
Jiang
,
H.
Kawai
,
D.
Kinzer
,
M.
Kuball
,
A.
Kumar
,
K. B.
Lee
,
X.
Li
,
D.
Marcon
,
M.
März
,
R.
McCarthy
,
G.
Meneghesso
,
M.
Meneghini
,
E.
Morvan
,
A.
Nakajima
,
E. M. S.
Narayanan
,
S.
Oliver
,
T.
Palacios
,
D.
Piedra
,
M.
Plissonnier
,
R.
Reddy
,
M.
Sun
,
I.
Thayne
,
A.
Torres
,
N.
Trivellin
,
V.
Unni
,
M. J.
Uren
,
M.
Van Hove
,
D. J.
Wallis
,
J.
Wang
,
J.
Xie
,
S.
Yagi
,
S.
Yang
,
C.
Youtsey
,
R.
Yu
,
E.
Zanoni
,
S.
Zeltner
, and
Y.
Zhang
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
51
,
163001
(
2018
).
8.
T.
Oka
,
Jpn. J. Appl. Phys.
58
,
SB0805
(
2019
).
9.
W.
Götz
,
R. S.
Kern
,
C. H.
Chen
,
H.
Liu
,
D. A.
Steigerwald
, and
R. M.
Fletcher
,
Mater. Sci. Eng. B
59
,
211
(
1999
).
10.
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
156403
(
2012
).
11.
S.
Brochen
,
J.
Brault
,
S.
Chenot
,
A.
Dussaigne
,
M.
Leroux
, and
B.
Damilano
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
032102
(
2013
).
12.
T.
Maeda
,
T.
Narita
,
S.
Yamada
,
T.
Kachi
,
T.
Kimoto
,
M.
Horita
, and
J.
Suda
,
J. Appl. Phys.
129
,
185702
(
2021
).
13.
H.
Fujikura
,
T.
Konno
,
T.
Kimura
,
Y.
Narita
, and
F.
Horikiri
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
012103
(
2020
).
14.
J.
Kolník
,
İ. H.
Oğuzman
,
K. F.
Brennan
,
R.
Wang
,
P. P.
Ruden
, and
Y.
Wang
,
J. Appl. Phys.
78
,
1033
(
1995
).
15.
S.
Takashima
,
K.
Ueno
,
H.
Matsuyama
,
T.
Inamoto
,
M.
Edo
,
T.
Takahashi
,
M.
Shimizu
, and
K.
Nakagawa
,
Appl. Phys. Express
10
,
121004
(
2017
).
16.
M.
Horita
,
S.
Takashima
,
R.
Tanaka
,
H.
Matsuyama
,
K.
Ueno
,
M.
Edo
,
T.
Takahashi
,
M.
Shimizu
, and
J.
Suda
,
Jpn. J. Appl. Phys.
56
,
031001
(
2017
).
17.
T.
Narita
,
N.
Ikarashi
,
K.
Tomita
,
K.
Kataoka
, and
T.
Kachi
,
J. Appl. Phys.
124
,
165706
(
2018
).
18.
T.
Narita
,
H.
Yoshida
,
K.
Tomita
,
K.
Kataoka
,
H.
Sakurai
,
M.
Horita
,
M.
Bockowski
,
N.
Ikarashi
,
J.
Suda
,
T.
Kachi
, and
Y.
Tokuda
,
J. Appl. Phys.
128
,
090901
(
2020
).
19.
Y.
Saitoh
,
K.
Sumiyoshi
,
M.
Okada
,
T.
Horii
,
T.
Miyazaki
,
H.
Shiomi
,
M.
Ueno
,
K.
Katayama
,
M.
Kiyama
, and
T.
Nakamura
,
Appl. Phys. Express
8
,
081001
(
2010
).
20.
W.
Li
,
K.
Nomoto
,
M.
Pilla
,
M.
Pan
,
X.
Gao
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
IEEE Trans. Electron Devices
64
,
1635
(
2017
).
21.
M.
Kanechika
,
M.
Sugimoto
,
N.
Soejima
,
H.
Ueda
,
O.
Ishiguro
,
M.
Kodama
,
E.
Hayashi
,
K.
Itoh
,
T.
Uesugi
, and
T.
Kachi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
46
,
L503
(
2007
).
22.
T.
Oka
,
T.
Ina
,
Y.
Ueno
, and
J.
Nishii
,
Appl. Phys. Express
8
,
054101
(
2015
).
23.
H.
Hatakeyama
,
K.
Nomoto
,
N.
Kaneda
,
T.
Kawano
,
T.
Mishima
, and
T.
Nakamura
,
IEEE Electron Device Lett.
32
,
1674
(
2011
).
24.
K.
Nomoto
,
B.
Song
,
Z.
Hu
,
M.
Zhu
,
M.
Qi
,
N.
Kaneda
,
T.
Mishima
,
T.
Nakamura
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
161
(
2016
).
25.
I. C.
Kizilyalli
,
T.
Prunty
, and
O.
Aktas
,
IEEE Electron Device Lett.
36
,
1073
(
2015
).
26.
H.
Ohta
,
K.
Hayashi
,
F.
Horikiri
,
M.
Yoshino
,
T.
Nakamura
, and
T.
Mishima
,
Jpn. J. Appl. Phys.
57
,
04FG09
(
2018
).
27.
H.
Ohta
,
N.
Asai
,
F.
Horikiri
,
Y.
Narita
,
T.
Yoshida
, and
T.
Mishima
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
123
(
2020
).
28.
N.
Sawada
,
T.
Narita
,
M.
Kanechika
,
T.
Uesugi
,
T.
Kachi
,
M.
Horita
,
T.
Kimoto
, and
J.
Suda
,
Appl. Phys. Express
11
,
041001
(
2018
).
29.
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
152108
(
2010
).
30.
D. O.
Demchenko
,
I. C.
Diallo
, and
M. A.
Reshchikov
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
087404
(
2013
).
31.
J. L.
Lyons
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Rev. B
89
,
035204
(
2014
).
32.
T.
Narita
,
K.
Tomita
,
Y.
Tokuda
,
T.
Kogiso
,
M.
Horita
, and
T.
Kachi
,
J. Appl. Phys.
124
,
215701
(
2018
).
33.
G.
Parish
,
S.
Keller
,
S. P.
Denbaars
, and
U. K.
Mishra
,
J. Electron. Mater.
29
,
15
(
2000
).
34.
D. D.
Koleske
,
A. E.
Wickenden
,
R. L.
Henry
, and
M. E.
Twigg
,
J. Cryst. Growth
242
,
55
(
2002
).
35.
G.
Piao
,
K.
Ikenaga
,
Y.
Yano
,
H.
Tokunaga
,
A.
Mishima
,
Y.
Ban
,
T.
Tabuchi
, and
K.
Matsumoto
,
J. Cryst. Growth
456
,
137
(
2016
).
36.
T.
Ciarkowski
,
N.
Allen
,
E.
Carlson
,
R.
McCarthy
,
C.
Youtsey
,
J.
Wang
,
P.
Fay
,
J.
Xie
, and
L.
Guido
,
Materials
12
,
2455
(
2019
).
37.
P.
Reddy
,
S.
Washiyama
,
F.
Kaess
,
R.
Kirste
,
S.
Mita
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
122
,
245702
(
2017
).
38.
H.
Fujikura
,
T.
Konno
,
T.
Yoshida
, and
F.
Horikiri
,
Jpn. J. Appl. Phys.
56
,
085503
(
2017
).
39.
H.
Fujikura
,
K.
Hayashi
,
F.
Horikiri
,
Y.
Narita
,
T.
Konno
,
T.
Yoshida
,
H.
Ohta
, and
T.
Mishima
,
Appl. Phys. Express
11
,
045502
(
2018
).
40.
K.
Ohnishi
,
S.
Kawasaki
,
N.
Fujimoto
,
S.
Nitta
,
H.
Watanabe
,
Y.
Honda
, and
H.
Amano
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
152102
(
2021
).
41.
K.
Ohnishi
,
Y.
Amano
,
N.
Fujimoto
,
S.
Nitta
,
Y.
Honda
, and
H.
Amano
,
Appl. Phys. Express
13
,
061007
(
2020
).
42.
K.
Ohnishi
,
Y.
Amano
,
N.
Fujimoto
,
S.
Nitta
,
H.
Watanabe
,
Y.
Honda
, and
H.
Amano
,
J. Cryst. Growth
566–567
,
126173
(
2021
).
43.
K.
Ohnishi
,
N.
Fujimoto
,
S.
Nitta
,
H.
Watanabe
,
Y.
Honda
, and
H.
Amano
,
J. Cryst. Growth
592
,
126749
(
2022
).
44.
T.
Kimura
,
K.
Ohnishi
,
Y.
Amano
,
N.
Fujimoto
,
M.
Araidai
,
S.
Nitta
,
Y.
Honda
,
H.
Amano
,
Y.
Kangawa
, and
K.
Shiraishi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
59
,
088001
(
2020
).
45.
S.
Lu
,
M.
Deki
,
J.
Wang
,
K.
Ohnishi
,
Y.
Ando
,
T.
Kumabe
,
H.
Watanabe
,
S.
Nitta
,
Y.
Honda
, and
H.
Amano
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
242104
(
2021
).
46.
J.
Wang
,
S.
Lu
,
W.
Cai
,
T.
Kumabe
,
Y.
Ando
,
Y.
Liao
,
Y.
Honda
,
Y.-H.
Xie
, and
H.
Amano
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
150
(
2022
).
47.
V.
Ramachandran
,
R. M.
Feenstra
,
W. L.
Sarney
,
L.
Salamanca-Riba
,
J. E.
Northup
,
L. T.
Romano
, and
D. W.
Greve
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
808
(
1999
).
48.
D.
Segev
and
C. G.
Van de Walle
,
J. Cryst. Growth
300
,
199
(
2007
).
49.
P.
Kozodoy
,
H.
Xing
,
S. P.
DenBaars
,
U. K.
Mishra
,
A.
Saxler
,
R.
Perrin
,
S.
Elhamri
, and
W. C.
Mitchel
,
J. Appl. Phys.
87
,
1832
(
2000
).
50.
G. L.
Pearson
and
J.
Bardeen
,
Phys. Rev.
75
,
865
(
1949
).
51.
P. P.
Debye
and
E. M.
Conwell
,
Phys. Rev.
93
,
693
(
1954
).
52.
K.
Karch
,
J.-M.
Wagner
, and
F.
Bechstedt
,
Phys. Rev. B
57
,
7043
(
1998
).
53.
Q.
Yan
,
A.
Janotti
,
M.
Scheffler
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
142110
(
2012
).
54.
E. C. H.
Kyle
,
S. W.
Kaun
,
P. G.
Burke
,
F.
Wang
,
Y.-R.
Wu
, and
J. S.
Speck
,
J. Appl. Phys.
115
,
193702
(
2014
).
You do not currently have access to this content.