The impact of 1.8 MeV proton irradiation on metalorganic chemical vapor deposition grown (010) β-Ga2O3 Schottky diodes is presented. It is found that after a 10.8×1013cm2 proton fluence the Schottky barrier height of (1.40±0.05 eV) and the ideality factor of (1.05±0.05) are unaffected. Capacitance–voltage extracted net ionized doping curves indicate a carrier removal rate of 268±10cm1. The defect states responsible for the observed carrier removal are studied through a combination of deep level transient and optical spectroscopies (DLTS/DLOS) as well as lighted capacitance–voltage (LCV) measurements. The dominating effect on the defect spectrum is due to the EC-2.0 eV defect state observed in DLOS and LCV. This state accounts for 75% of the total trap introduction rate and is the primary source of carrier removal from proton irradiation. Of the DLTS detected states, the EC-0.72 eV state dominated but had a comparably smaller contribution to the trap introduction. These two traps have previously been correlated with acceptor-like gallium vacancy-related defects. Several other trap states at EC-0.36, EC-0.63, and EC-1.09 eV were newly detected after proton irradiation, and two pre-existing states at EC-1.2 and EC-4.4 eV showed a slight increase in concentration after irradiation, together accounting for the remainder of trap introduction. However, a pre-existing trap at EC-0.40 eV was found to be insensitive to proton irradiation and, therefore, is likely of extrinsic origin. The comprehensive defect characterization of 1.8 MeV proton irradiation damage can aid the modeling and design for a range of radiation tolerant devices.

1.
Z.
Galazka
,
K.
Irmscher
,
R.
Uecker
,
R.
Bertram
,
M.
Pietsch
,
A.
Kwasniewski
,
M.
Naumann
,
T.
Schulz
,
R.
Schewski
,
D.
Klimm
, and
M.
Bickermann
,
J. Cryst. Growth
404
,
184
(
2014
).
2.
E. G.
Villora
,
K.
Shimamura
,
Y.
Yoshikawa
,
T.
Ujiie
, and
K.
Aoki
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
202120
(
2008
).
3.
H.
Aida
,
K.
Nishiguchi
,
H.
Takeda
,
N.
Aota
,
K.
Sunakawa
, and
Y.
Yaguchi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
47
,
8506
(
2008
).
4.
N.
Ueda
,
H.
Hosono
,
R.
Waseda
, and
H.
Kawazoe
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
3561
(
1997
).
5.
H. H.
Tippins
,
Phys. Rev.
140
,
A316
(
1965
).
6.
M. R.
Lorenz
,
J. F.
Woods
, and
R. J.
Gambino
,
J. Phys. Chem. Solids
28
,
403
(
1967
).
7.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
013504
(
2012
).
8.
Z.
Hu
,
K.
Nomoto
,
W.
Li
,
N.
Tanen
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Nakamura
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
869
(
2018
).
9.
A. J.
Green
,
K. D.
Chabak
,
E. R.
Heller
,
R. C.
Fitch
,
M.
Baldini
,
A.
Fiedler
,
K.
Irmscher
,
G.
Wagner
,
Z.
Galazka
,
S. E.
Tetlak
,
A.
Crespo
,
K.
Leedy
, and
G. H.
Jessen
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
902
(
2016
).
10.
C.
Joishi
,
S.
Rafique
,
Z.
Xia
,
L.
Han
,
S.
Krishnamoorthy
,
Y.
Zhang
,
S.
Lodha
,
H.
Zhao
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Express
11
,
031101
(
2018
).
11.
A.
Ionascut-Nedelcescu
,
C.
Carlone
,
A.
Houdayer
,
H. J.
von Bardeleben
,
J.
Cantin
, and
S.
Raymond
,
IEEE Trans. Nucl. Sci.
49
,
2733
(
2002
).
12.
E.
Farzana
,
A.
Mauze
,
J. B.
Varley
,
T. E.
Blue
,
J. S.
Speck
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
APL Mater.
7
,
121102
(
2019
).
13.
M. E.
Ingebrigtsen
,
J. B.
Varley
,
A. Y.
Kuznetsov
,
B. G.
Svensson
,
G.
Alfieri
,
A.
Mihaila
,
U.
Badstübner
, and
L.
Vines
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
042104
(
2018
).
14.
M. E.
Ingebrigtsen
,
A. Y.
Kuznetsov
,
B. G.
Svensson
,
G.
Alfieri
,
A.
Mihaila
,
U.
Badstübner
,
A.
Perron
,
L.
Vines
, and
J. B.
Varley
,
APL Mater.
7
,
022510
(
2018
).
15.
J.
Yang
,
Z.
Chen
,
F.
Ren
,
S. J.
Pearton
,
G.
Yang
,
J.
Kim
,
J.
Lee
,
E.
Flitsiyan
,
L.
Chernyak
, and
A.
Kuramata
,
J. Vac. Sci. Technol. B
36
,
011206
(
2018
).
16.
A. Y.
Polyakov
,
N. B.
Smirnov
,
I. V.
Shchemerov
,
E. B.
Yakimov
,
S. J.
Pearton
,
C.
Fares
,
J.
Yang
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
P. B.
Lagov
,
V. S.
Stolbunov
, and
A.
Kochkova
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
092102
(
2018
).
17.
A. Y.
Polyakov
,
N. B.
Smirnov
,
I. V.
Shchemerov
,
E. B.
Yakimov
,
J.
Yang
,
F.
Ren
,
G.
Yang
,
J.
Kim
,
A.
Kuramata
, and
S. J.
Pearton
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
032107
(
2018
).
18.
A. Y.
Polyakov
,
N. B.
Smirnov
,
I. V.
Shchemerov
,
A. A.
Vasilev
,
E. B.
Yakimov
,
A. V.
Chernykh
,
A. I.
Kochkova
,
P. B.
Lagov
,
Y. S.
Pavlov
,
O. F.
Kukharchuk
,
A. A.
Suvorov
,
N. S.
Garanin
,
I.-H.
Lee
,
M.
Xian
,
F.
Ren
, and
S. J.
Pearton
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
53
,
274001
(
2020
).
19.
J.
Yang
,
F.
Ren
,
S. J.
Pearton
,
G.
Yang
,
J.
Kim
, and
A.
Kuramata
,
J. Vac. Sci. Technol. B
35
,
031208
(
2017
).
20.
S.
Ahn
,
Y.-H.
Lin
,
F.
Ren
,
S.
Oh
,
Y.
Jung
,
G.
Yang
,
J.
Kim
,
M. A.
Mastro
,
J. K.
Hite
,
C. R.
Eddy
, and
S. J.
Pearton
,
J. Vac. Sci. Technol. B
34
,
041213
(
2016
).
21.
J.
Lee
,
E.
Flitsiyan
,
L.
Chernyak
,
J.
Yang
,
F.
Ren
,
S. J.
Pearton
,
B.
Meyler
, and
Y. J.
Salzman
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
082104
(
2018
).
22.
Z.
Feng
,
A. F. M.
Anhar Uddin Bhuiyan
,
M. R.
Karim
, and
H.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
250601
(
2019
).
23.
Z.
Feng
,
A. F. M. A. U.
Bhuiyan
,
Z.
Xia
,
W.
Moore
,
Z.
Chen
,
J. F.
McGlone
,
D. R.
Daughton
,
A. R.
Arehart
,
S. A.
Ringel
,
S.
Rajan
, and
H.
Zhao
,
Phys. Status Solidi RRL
14
,
2000145
(
2020
).
24.
H.
Ghadi
,
J. F.
McGlone
,
C. M.
Jackson
,
E.
Farzana
,
Z.
Feng
,
A. F. M. A. U.
Bhuiyan
,
H.
Zhao
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
APL Mater.
8
,
021111
(
2020
).
25.
H.
Ghadi
,
J. F.
McGlone
,
Z.
Feng
,
A. F. M. A. U.
Bhuiyan
,
H.
Zhao
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
172106
(
2020
).
26.
Z.
Zhang
,
E.
Farzana
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
052105
(
2016
).
27.
E.
Farzana
,
E.
Ahmadi
,
J. S.
Speck
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
J. Appl. Phys.
123
,
161410
(
2018
).
28.
J. F.
Ziegler
,
M. D.
Ziegler
, and
J. P.
Biersack
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
268
,
1818
(
2010
).
29.
W.
Li
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
J. Appl. Phys.
131
,
015702
(
2022
).
30.
Z.
Zhang
,
D.
Cardwell
,
A.
Sasikumar
,
E. C. H.
Kyle
,
J.
Chen
,
E. X.
Zhang
,
D. M.
Fleetwood
,
R. D.
Schrimpf
,
J. S.
Speck
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
J. Appl. Phys.
119
,
165704
(
2016
).
31.
D. V.
Lang
,
J. Appl. Phys.
45
,
3023
(
1974
).
32.
V. I.
Turchanikov
,
V. S.
Lysenko
, and
V. A.
Gusev
,
Phys. Status Solidi A
95
,
283
(
1986
).
33.
P.
Blood
and
J. W.
Orton
,
The Electrical Characterization of Semiconductors: Majority Carriers and Electron States
(
Academic Press Limited
,
San Diego, CA
,
1992
).
34.
J. F.
McGlone
,
Z.
Xia
,
Y.
Zhang
,
C.
Joishi
,
S.
Lodha
,
S.
Rajan
,
S. A.
Ringel
, and
A. R.
Arehart
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
1042
(
2018
).
35.
J. F.
McGlone
,
Z.
Xia
,
C.
Joishi
,
S.
Lodha
,
S.
Rajan
,
S.
Ringel
, and
A. R.
Arehart
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
153501
(
2019
).
36.
Y. K.
Frodason
,
C.
Zimmermann
,
E. F.
Verhoeven
,
P. M.
Weiser
,
L.
Vines
, and
J. B.
Varley
,
Phys. Rev. Mater.
5
,
025402
(
2021
).
37.
P.
Deák
,
Q.
Duy Ho
,
F.
Seemann
,
B.
Aradi
,
M.
Lorke
, and
T.
Frauenheim
,
Phys. Rev. B
95
,
075208
(
2017
).
38.
R.
Pässler
,
J. Appl. Phys.
96
,
715
(
2004
).
39.
E.
Farzana
,
M. F.
Chaiken
,
T. E.
Blue
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
APL Mater.
7
,
022502
(
2018
).
40.
A.
Armstrong
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
J. Appl. Phys.
97
,
083529
(
2005
).
41.
J. M.
Johnson
,
Z.
Chen
,
J. B.
Varley
,
C. M.
Jackson
,
E.
Farzana
,
Z.
Zhang
,
A. R.
Arehart
,
H.-L.
Huang
,
A.
Genc
,
S. A.
Ringel
,
C. G.
Van de Walle
,
D. A.
Muller
, and
J.
Hwang
,
Phys. Rev. X
9
,
041027
(
2019
).
42.
J. B.
Varley
,
H.
Peelaers
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
J. Phys.: Condens. Matter.
23
,
334212
(
2011
).
43.
P.
Weiser
,
M.
Stavola
,
W. B.
Fowler
,
Y.
Qin
, and
S.
Pearton
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
232104
(
2018
).
44.
A.
Karjalainen
,
I.
Makkonen
,
J.
Etula
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
F.
Tuomisto
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
072104
(
2021
).
45.
A.
Karjalainen
,
P. M.
Weiser
,
I.
Makkonen
,
V. M.
Reinertsen
,
L.
Vines
, and
F.
Tuomisto
,
J. Appl. Phys.
129
,
165702
(
2021
).
You do not currently have access to this content.