κ-Ga2O3 has been predicted to be a potential ferroelectric material. In this work, undoped Ga2O3 films were grown by either plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) on platinized sapphire substrates. 50 nm thick PEALD films with a mixture of κ-Ga2O3 and β-Ga2O3 had a relative permittivity of ∼27, a loss tangent below 2%, and high electrical resistivity up to ∼1.5 MV/cm. 700 nm thick MOCVD films with predominantly the κ-Ga2O3 phase had relative permittivities of ∼18 and a loss tangent of 1% at 10 kHz. Neither film showed compelling evidence for ferroelectricity measured at fields up to 1.5 MV/cm, even after hundreds of cycles. Piezoresponse force microscopy measurements on bare κ-Ga2O3 showed a finite piezoelectric response that could not be reoriented for electric fields up to 1.33 MV/cm.

1.
R.
Roy
,
V. G.
Hill
, and
E. F.
Osborn
,
J. Am. Chem. Soc.
74
(
3
),
719
722
(
1952
).
2.
H. Y.
Playford
,
A. C.
Hannon
,
E. R.
Barney
, and
R. I.
Walton
,
Chem. Eur. J.
19
(
8
),
2803
2813
(
2013
).
3.
S. J.
Pearton
,
J.
Yang
,
P. H.
Cary
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
(
1
),
011301
(
2018
).
4.
L. A. M.
Lyle
,
K.
Jiang
,
E. V.
Favela
,
K.
Das
,
A.
Popp
,
Z.
Galazka
,
G.
Wagner
, and
L. M.
Porter
,
J. Vac. Sci. Technol. A
39
(
3
),
033202
(
2021
).
5.
R.
Singh
,
T. R.
Lenka
,
D. K.
Panda
,
R. T.
Velpula
,
B.
Jain
,
H. Q. T.
Bui
, and
H. P. T.
Nguyen
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
119
,
105216
(
2020
).
6.
J.
Zhang
,
P.
Dong
,
K.
Dang
,
Y.
Zhang
,
Q.
Yan
,
H.
Xiang
,
J.
Su
,
Z.
Liu
,
M.
Si
,
J.
Gao
,
M.
Kong
,
H.
Zhou
, and
Y.
Hao
,
Nat. Commun.
13
(
1
),
3900
(
2022
).
7.
K.
Sasaki
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
IEEE Electron Device Lett.
34
(
4
),
493
495
(
2013
).
8.
A. S.
Pratiyush
,
S.
Krishnamoorthy
,
S. V.
Solanke
,
Z.
Xia
,
R.
Muralidharan
,
S.
Rajan
, and
D. N.
Nath
,
Appl. Phys. Lett.
110
(
22
),
221107
(
2017
).
9.
M.
Pavesi
,
F.
Fabbri
,
F.
Boschi
,
G.
Piacentini
,
A.
Baraldi
,
M.
Bosi
,
E.
Gombia
,
A.
Parisini
, and
R.
Fornari
,
Mater. Chem. Phys.
205
,
502
507
(
2018
).
10.
Y.
Cai
,
K.
Zhang
,
Q.
Feng
,
Y.
Zuo
,
Z.
Hu
,
Z.
Feng
,
H.
Zhou
,
X.
Lu
,
C.
Zhang
,
W.
Tang
,
J.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
Opt. Mater. Express
8
(
11
),
3506
3517
(
2018
).
11.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
(
1
),
013504
(
2012
).
12.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
T.
Kamimura
,
M. H.
Wong
,
D.
Krishnamurthy
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
103
(
12
),
123511
(
2013
).
13.
W. S.
Hwang
,
A.
Verma
,
H.
Peelaers
,
V.
Protasenko
,
S.
Rouvimov
,
H.
Xing
,
A.
Seabaugh
,
W.
Haensch
,
C. G.
Van de Walle
,
Z.
Galazka
,
M.
Albrecht
,
R.
Fornari
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
104
(
20
),
203111
(
2014
).
14.
K.
Shimamura
,
E. G.
Villora
,
T.
Ujiie
, and
K.
Aoki
,
Appl. Phys. Lett.
92
(
20
),
202120
(
2008
).
15.
K.
Irmscher
,
Z.
Galazka
,
M.
Pietsch
,
R.
Uecker
, and
R.
Fornari
,
J. Appl. Phys.
110
(
6
),
063720
(
2011
).
16.
Z.
Galazka
,
S.
Ganschow
,
A.
Fiedler
,
R.
Bertram
,
D.
Klimm
,
K.
Irmscher
,
R.
Schewski
,
M.
Pietsch
,
M.
Albrecht
, and
M.
Bickermann
,
J. Cryst. Growth
486
,
82
90
(
2018
).
17.
S.
Yoshioka
,
H.
Hayashi
,
A.
Kuwabara
,
F.
Oba
,
K.
Matsunaga
, and
I.
Tanaka
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
(
34
),
346211
(
2007
).
18.
R.
Fornari
,
M.
Pavesi
,
V.
Montedoro
,
D.
Klimm
,
F.
Mezzadri
,
I.
Cora
,
B.
Pecz
,
F.
Boschi
,
A.
Parisini
,
A.
Baraldi
,
C.
Ferrari
,
E.
Gombia
, and
M.
Bosi
,
Acta Mater.
140
,
411
416
(
2017
).
19.
J.
Lee
,
H.
Kim
,
L.
Gautam
,
K.
He
,
X. B.
Hu
,
V. P.
Dravid
, and
M.
Razeghi
,
Photonics
8
(
1
), 17 (
2021
).
20.
I.
Cora
,
F.
Mezzadri
,
F.
Boschi
,
M.
Bosi
,
M.
Caplovicova
,
G.
Calestani
,
I.
Dodony
,
B.
Pecz
, and
R.
Fornari
,
CrystEngComm
19
(
11
),
1509
1516
(
2017
).
21.
R.
Batra
,
H. D.
Tran
,
B.
Johnson
,
B.
Zoellner
,
P. A.
Maggard
,
J. L.
Jones
,
G. A.
Rossetti
, and
R.
Ramprasad
,
Chem. Mater.
32
(
9
),
3823
3832
(
2020
).
22.
S. B.
Cho
and
R.
Mishra
,
Appl. Phys. Lett.
112
(
16
),
162101
(
2018
).
23.
F.
Mezzadri
,
G.
Calestani
,
F.
Boschi
,
D.
Delmonte
,
M.
Bosi
, and
R.
Fornari
,
Inorg. Chem.
55
(
22
),
12079
12084
(
2016
).
24.
D.
Tahara
,
H.
Nishinaka
,
M.
Noda
, and
M.
Yoshimoto
,
Mater. Lett
232
,
47
50
(
2018
).
25.
Z.
Chen
,
X.
Lu
,
Y.
Tu
,
W.
Chen
,
Z.
Zhang
,
S.
Cheng
,
S.
Chen
,
H.
Luo
,
Z.
He
,
Y.
Pei
, and
G.
Wang
,
Adv. Sci.
9
(
32
),
2203927
(
2022
).
26.
W.
Zhu
,
J.
Hayden
,
F.
He
,
J.-I.
Yang
,
P.
Tipsawat
,
M. D.
Hossain
,
J.-P.
Maria
, and
S.
Trolier-McKinstry
,
Appl. Phys. Lett.
119
(
6
),
062901
(
2021
).
27.
M.
Kneiss
,
A.
Hassa
,
D.
Splith
,
C.
Sturm
,
H.
von Wenckstern
,
T.
Schultz
,
N.
Koch
,
M.
Lorenz
, and
M.
Grundmann
,
APL Mater.
7
(
2
),
022516
(
2019
).
28.
F. B.
Zhang
,
K.
Saito
,
T.
Tanaka
,
M.
Nishio
, and
Q. X.
Guo
,
J. Cryst. Growth
387
,
96
100
(
2014
).
29.
M.
Kneiss
,
P.
Storm
,
A.
Hassa
,
T.
Schultz
,
D.
Splith
,
H.
von Wenckstern
,
N.
Koch
,
M.
Lorenz
, and
M.
Grundmann
,
APL Mater.
8
(
5
),
051112
(
2020
).
30.
K.
Matsuzaki
,
H.
Hiramatsu
,
K.
Nomura
,
H.
Yanagi
,
T.
Kamiya
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Thin Solid Films
496
(
1
),
37
41
(
2006
).
31.
M.
Kneiss
,
A.
Hassa
,
D.
Splith
,
C.
Sturm
,
H.
von Wenckstern
,
M.
Lorenz
, and
M.
Grundmann
,
APL Mater.
7
(
10
),
101102
(
2019
).
32.
V. D.
Wheeler
,
N.
Nepal
,
D. R.
Boris
,
S. B.
Qadri
,
L. O.
Nyakiti
,
A.
Lang
,
A.
Koehler
,
G.
Foster
,
S. G.
Walton
,
C. R.
Eddy
, and
D. J.
Meyer
,
Chem. Mater.
32
(
3
),
1140
1152
(
2020
).
33.
K.
Jiang
,
J.
Tang
,
M. J.
Cabral
,
A.
Park
,
L.
Gu
,
R. F.
Davis
, and
L. M.
Porter
,
J. Appl. Phys.
131
(
5
),
055305
(
2022
).
34.
G. B.
Rayner
,
N.
O'Toole
,
J.
Shallenberger
, and
B.
Johs
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
(
6
),
062408
(
2020
).
35.
M.
Passlack
,
N. E. J.
Hunt
,
E. F.
Schubert
,
G. J.
Zydzik
,
M.
Hong
,
J. P.
Mannaerts
,
R. L.
Opila
, and
R. J.
Fischer
,
Appl. Phys. Lett.
64
(
20
),
2715
2717
(
1994
).
36.
S.
Yusa
,
D.
Oka
, and
T.
Fukumura
,
CrystEngComm
22
,
381
385
(
2020
).
37.
M.
Kneiß
,
D.
Splith
,
P.
Schlupp
,
A.
Hassa
,
H.
con Wenckstern
,
M.
Lorenz
, and
M.
Grundmann
,
J. Appl. Phys.
130
,
084502
(
2021
).
38.
B. T.
Matthias
and
J. P.
Remeika
,
Phys. Rev.
76
(
12
),
1886
1887
(
1949
).
39.
H. D.
Megaw
,
Acta Crystallogr.
7
(
2
),
187
194
(
1954
).
40.
H. D.
Megaw
,
Ferroelectrictricity in Crystals
(
Methuen
,
London
,
1957
), p.
103
.
41.
M.
Yamada
,
N.
Nada
,
M.
Saitoh
, and
K.
Watanabe
,
Appl. Phys. Lett.
62
(
5
),
435
436
(
1993
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.