Defect levels in (001) β-Ga2O3 are investigated using transient photocapacitance (TPC) spectroscopy. For sub-band photon energies in the range of 1.13–3.10 eV, the TPC signal shows broad optical absorption at room temperature. Using the theoretical Pässler model, deep-level states at E T = 1.15 ± 0.07 eV (Trap 1) and E T = 1.69 ± 0.41 eV (Trap 2) below the conduction bands are demonstrated. The Franck–Condon energies ( D F C) of Trap 1 and Trap 2 are 0.26 ± 0.11 and 0.66 ± 0.55 eV, respectively. TPC measurements have been performed at temperatures ranging from 30 to 360 K. From 150 to 360 K, the TPC signal of Trap 1 decreases as the temperature increases. The decrease in the TPC signal of Trap 1 agrees with the thermal quenching model, and a thermal activation energy of 156 meV is estimated. Moreover, the effective phonon energy of β-Ga2O3 has been extracted. From 30 to 360 K, the effective phonon energy is in the range of 85–126 meV.

1.
S.
Yoshioka
,
H.
Hayashi
,
A.
Kuwabara
,
F.
Oba
,
K.
Matsunaga
, and
I.
Tanaka
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
,
346211
(
2007
).
2.
X.
Song
,
H.
Liu
,
J.
Wang
,
Y.
Cao
, and
X.
Luo
,
Cryst. Eng. Comm.
23
,
4284
(
2021
).
3.
S. J.
Pearton
,
J.
Yang
,
P. H.
Cary
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
011301
(
2018
).
4.
A.
Nikolskaya
et al. ,
J. Vac. Sci. Technol. A
39
,
030802
(
2021
).
6.
T.
Matsumoto
,
M.
Aoki
,
A.
Kinoshita
, and
T.
Aono
,
Jpn. J. Appl. Phys.
13
,
1578
(
1974
).
7.
N.
Ueda
,
H.
Hosono
,
R.
Waseda
, and
H.
Kawazoe
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
933
(
1997
).
8.
H.
Peelaers
and
C. G.
Van de Walle
,
Phys. Status Solidi Basic Res.
252
,
828
(
2015
).
9.
T.
Wang
,
W.
Li
,
C.
Ni
, and
A.
Janotti
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
011003
(
2018
).
10.
M.
Orita
,
H.
Ohta
,
M.
Hirano
, and
H.
Hosono
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
4166
(
2000
).
11.
A.
Kuramata
,
K.
Koshi
,
S.
Watanabe
,
Y.
Yamaoka
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
1202A2
(
2016
).
12.
H.
Aida
,
K.
Nishiguchi
,
H.
Takeda
,
N.
Aota
,
K.
Sunakawa
, and
Y.
Yaguchi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
47
,
8506
(
2008
).
13.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
013504
(
2012
).
14.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Phys. Status Solidi
211
,
21
(
2014
).
15.
S.
Poncé
and
F.
Giustino
,
Phys. Rev. Res.
2
, 033102 (2020).
16.
B. J.
Baliga
,
J. Appl. Phys.
53
,
1759
(
1982
).
17.
T.
Kamimura
,
Y.
Nakata
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
253501
(
2020
).
18.
H.
Xue
,
Q.
He
,
G.
Jian
,
S.
Long
,
T.
Pang
, and
M.
Liu
,
Nanoscale Res. Lett.
13
,
290
(
2018
).
19.
K.
Sasaki
,
M.
Higashiwaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
IEEE Electron Device Lett.
34
,
493
(
2013
).
20.
Q.
He
et al.,
Appl. Phys. Lett.
110
,
093503
(
2017
).
21.
E.
Farzana
,
Z.
Zhang
,
P. K.
Paul
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
202102
(
2017
).
22.
H.
Okumura
and
T.
Tanaka
,
Jpn. J. Appl. Phys.
58
,
120902
(
2019
).
23.
P. S.
Reddy
,
V.
Janardhanam
,
K.-H.
Shim
,
V. R.
Reddy
,
S.-N.
Lee
,
S.-J.
Park
, and
C.-J.
Choi
,
Vacuum
171
,
109012
(
2020
).
24.
S.
Luan
,
L.
Dong
,
X.
Ma
, and
R.
Jia
,
J. Alloys Compd.
812
,
152026
(
2020
).
25.
E.
Farzana
,
F.
Alema
,
W. Y.
Ho
,
A.
Mauze
,
T.
Itoh
,
A.
Osinsky
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
162109
(
2021
).
26.
D.
Madadi
and
A. A.
Orouji
,
Eur. Phys. J. Plus
135
,
578
(
2020
).
27.
A. J.
Green
et al.,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
902
(
2016
).
28.
S. J.
Pearton
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
, and
J.
Kim
,
J. Appl. Phys.
124
,
220901
(
2018
).
29.
T.
Kamimura
,
Y.
Nakata
,
M. H.
Wong
, and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1064
(
2019
).
30.
K.
Tetzner
,
O.
Hilt
,
A.
Popp
,
S.
Bin Anooz
, and
J.
Würfl
,
Microelectron. Reliab.
114
,
113951
(
2020
).
31.
T.
Kamimura
,
Y.
Nakata
, and
M.
Higashiwaki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
60
,
030906
(
2021
).
32.
S.
Krishnamoorthy
et al.,
Appl. Phys. Lett.
111
,
023502
(
2017
).
33.
Y.
Zhang
et al.,
Appl. Phys. Lett.
112
,
173502
(
2018
).
34.
Y.
Zhang
,
C.
Joishi
,
Z.
Xia
,
M.
Brenner
,
S.
Lodha
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
233503
(
2018
).
35.
N. K.
Kalarickal
,
Z.
Xia
,
J. F.
McGlone
,
Y.
Liu
,
W.
Moore
,
A. R.
Arehart
,
S. A.
Ringel
, and
S.
Rajan
,
J. Appl. Phys.
127
,
215706
(
2020
).
36.
T.
Onuma
,
S.
Saito
,
K.
Sasaki
,
K.
Goto
,
T.
Masui
,
T.
Yamaguchi
,
T.
Honda
,
A.
Kuramata
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
101904
(
2016
).
37.
K.
Nakai
,
T.
Nagai
,
K.
Noami
, and
T.
Futagi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
051103
(
2015
).
38.
J. M.
Johnson
et al.,
Phys. Rev. X
9
,
041027
(
2019
).
39.
R.
Singh
,
T.
Lenka
,
D.
Panda
,
R.
Velpula
,
B.
Jain
,
H.
Bui
, and
H.
Nguyen
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
119
,
105216
(
2020
).
40.
M.
Higashiwaki
,
R.
Kaplar
,
J.
Pernot
, and
H.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
200401
(
2021
).
41.
Z.
Zhang
,
E.
Farzana
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
Appl. Phys. Lett.
108
, 052105 (2016).
42.
E.
Farzana
,
E.
Ahmadi
,
J. S.
Speck
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
J. Appl. Phys.
123
,
161410
(
2018
).
43.
H.
Ghadi
,
J. F.
McGlone
,
C. M.
Jackson
,
E.
Farzana
,
Z.
Feng
,
A. F. U.
Bhuiyan
,
H.
Zhao
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
APL Mater.
8
,
021111
(
2020
).
44.
Z.
Wang
,
X.
Chen
,
F. F.
Ren
,
S.
Gu
, and
J.
Ye
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
54
,
043002
(
2021
).
45.
A.
Hierro
,
D.
Kwon
,
S. A.
Ringel
,
M.
Hansen
,
J. S.
Speck
,
U. K.
Mishra
, and
S. P.
DenBaars
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
3064
(
2000
).
46.
J. D.
Cohen
,
T.
Unold
,
A. V.
Gelatos
, and
C. M.
Fortmann
,
J. Non. Cryst. Solids
141
,
142
(
1992
).
47.
R.
Pässler
,
J. Appl. Phys.
96
,
715
(
2004
).
48.
J.
Cohen
,
J.
Heath
, and
W.
Shafarman
, in Springer Series in Materials Science (Springer, Berlin, 2006), Vol. 86, pp. 69–90.
49.
D. V.
Lang
,
J. Appl. Phys.
45
,
3023
(
1974
).
50.
A. V.
Gelatos
,
J. D.
Cohen
, and
J. P.
Harbison
,
J. Non. Cryst. Solids
77-78
,
291
(
1985
).
51.
A.
Chantre
,
G.
Vincent
, and
D.
Bois
,
Phys. Rev. B
23
,
5335
(
1981
).
52.
C.
Zimmermann
,
V.
Rønning
,
Y.
Kalmann Frodason
,
V.
Bobal
,
L.
Vines
, and
J. B.
Varley
,
Phys. Rev. Mater.
4
,
074605
(
2020
).
53.
J.
Menéndez
and
M.
Cardona
,
Phys. Rev. B
29
,
2051
(
1984
).
54.
N. S.
Samarasingha
and
S.
Zollner
,
J. Vac. Sci. Technol. B
39
,
052201
(
2021
).
55.
T.
Sakurai
and
T.
Satō
,
Phys. Rev. B
4
,
583
(
1971
).
56.
M.
Balkanski
,
R. F.
Wallis
, and
E.
Haro
,
Phys. Rev. B
28
,
1928
(
1983
).
57.
J. I.
Pankove
,
Optical Processes in Semiconductors
(
Dover
,
New York
,
1971
).
58.
A.
Krtschil
et al.,
Appl. Phys. Lett.
77
,
546
(
2000
).
59.
T.
Sakurai
et al.,
Thin Solid Films
517
,
2403
(
2009
).
60.
J. B.
Varley
,
J. R.
Weber
,
A.
Janotti
, and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
142106
(
2010
).
61.
L.
Dong
,
R.
Jia
,
B.
Xin
,
B.
Peng
, and
Y.
Zhang
,
Sci. Rep.
7
,
40160
(
2017
).
62.
P.
Deák
,
Q.
Duy Ho
,
F.
Seemann
,
B.
Aradi
,
M.
Lorke
, and
T.
Frauenheim
,
Phys. Rev. B
95
,
075208
(
2017
).
63.
E.
Farzana
,
M. F.
Chaiken
,
T. E.
Blue
,
A. R.
Arehart
, and
S. A.
Ringel
,
APL Mater.
7
,
022502
(
2019
).
You do not currently have access to this content.