基于高κ/GaAs界面态起源的材料设计

工程(英文) ›› 2015, Vol. 1 ›› Issue (3) : 372-377.

PDF(1922 KB)
PDF(1922 KB)
工程(英文) ›› 2015, Vol. 1 ›› Issue (3) : 372-377. DOI: 10.15302/J-ENG-2015052
研究论文
Research

基于高κ/GaAs界面态起源的材料设计

作者信息 +

Materials Design on the Origin of Gap States in a High-κ/GaAs Interface

Author information +
History +

Abstract

Given the demand for constantly scaling microelectronic devices to ever smaller dimensions, a SiO2 gate dielectric was substituted with a higher dielectric-constant material, Hf(Zr)O2, in order to minimize current leakage through dielectric thin film. However, upon interfacing with high dielectric constant (high-κ) dielectrics, the electron mobility in the conventional Si channel degrades due to Coulomb scattering, surface-roughness scattering, remote-phonon scattering, and dielectric-charge trapping. III-V and Ge are two promising candidates with superior mobility over Si. Nevertheless, Hf(Zr)O2/III-V(Ge) has much more complicated interface bonding than Si-based interfaces. Successful fabrication of a high-quality device critically depends on understanding and engineering the bonding configurations at Hf(Zr)O2/III-V(Ge) interfaces for the optimal design of device interfaces. Thus, an accurate atomic insight into the interface bonding and mechanism of interface gap states formation becomes essential. Here, we utilize first-principle calculations to investigate the interface between HfO2 and GaAs. Our study shows that As−As dimer bonding, Ga partial oxidation (between 3+ and 1+) and Ga− dangling bonds constitute the major contributions to gap states. These findings provide insightful guidance for optimum interface passivation.

Keywords

high-mobility device / high-κ/III-V interface / interfacial gap states / first-principle calculations

引用本文

导出引用
. . Engineering. 2015, 1(3): 372-377 https://doi.org/10.15302/J-ENG-2015052

参考文献

[1]
J. Robertson, R. M. Wallace. High-k materials and metal gates for CMOS applications. Mat. Sci. Eng. R., 2015, 88: 1–41
[2]
K. Cho. First-principles modeling of high-k gate dielectric materials. Comp. Mater. Sci., 2002, 23(1−4): 43–47
[3]
M. Haverty, A. Kawamoto, K. Cho, R. Dutton. First-principles study of transition-metal aluminates as high-k gate dielectrics. Appl. Phys. Lett., 2002, 80(15): 2669–2671
[4]
S. Park, L. Colombo, Y. Nishi, K. Cho. Ab initio study of metal gate electrode work function. Appl. Phys. Lett., 2005, 86(7): 073118
[5]
J. H. Ha, P. C. McIntyre, K. Cho. First principles study of the HfO2/SiO2 interface: Application to high-k gate structures. J. Appl. Phys., 2007, 101(3): 033706
[6]
The White House. About the Materials Genome Initiative. https://www.whitehouse.gov/mgi
[7]
B. Lee, K. Cho. Extended embedded-atom method for platinum nanoparticles. Surf. Sci., 2006, 600(10): 1982–1990
[8]
X. Hao, Experimental and theoretical study of CO oxidation on PdAu catalysts with NO pulse effects. Top. Catal., 2009, 52(13−20): 1946–1950
[9]
B. Shan, First-principles-based embedded atom method for PdAu nanoparticles. Phys. Rev. B, 2009, 80(3): 035404
[10]
M. J. Hale, S. I. Yi, J. Z. Sexton, A. C. Kummel, M. Passlack. Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of gallium oxide deposition and oxidation on GaAs(001)-c(2×8)/(2×4). J. Chem. Phys., 2003, 119(13): 6719–6728
[11]
D. L. Winn, M. J. Hale, T. J. Grassman, A. C. Kummel, R. Droopad, M. Passlack. Direct and indirect causes of Fermi level pinning at the SiO/GaAs interface. J. Chem. Phys., 2007, 126(8): 084703
[12]
M. Passlack, R. Droopad, P. Fejes, L. Wang. Electrical properties of Ga2O3/GaAs interfaces and GdGaO dielectrics in GaAs-based MOSFETs. IEEE Electr. Device L., 2009, 30(1): 2–4
[13]
C. L. Hinkle, Comparison of n-type and p-type GaAs oxide growth and its effects on frequency dispersion characteristics. Appl. Phys. Lett., 2008, 93(11): 113506
[14]
C. L. Hinkle, M. Milojevic, E. M. Vogel, R. M. Wallace. The significance of core-level electron binding energies on the proper analysis of InGaAs interfacial bonding. Appl. Phys. Lett., 2009, 95(15): 151905
[15]
R. V. Galatage, Accumulation capacitance frequency dispersion of III-V metal-insulator-semiconductor devices due to disorder induced gap states. J. Appl. Phys., 2014, 116(1): 014504
[16]
M. Passlack, M. Hong, J. P. Mannaerts, S. N. G. Chu, R. L. Opila, N. Moriya. In-situ Ga2O3 process for GaAs inversion/accumulation device and surface passivation applications. In: 1995 International Electron Devices Meeting. Piscataway, NJ: IEEE, 1995: 383–386
[17]
E. P. O’Reilly, J. Robertson. Electronic structure of amorphous III-V and II-VI compound semiconductors and their defects. Phys. Rev. B Condens. Matter, 1986, 34(12): 8684–8695
[18]
P. W. Peacock, J. Robertson. Bonding, energies, and band offsets of Si-ZrO2 and HfO2 gate oxide interfaces. Phys. Rev. Lett., 2004, 92(5): 057601
[19]
J. Robertson, L. Lin. Fermi level pinning in Si, Ge and GaAs systems—MIGS or defects? In: 2009 International Electron Devices Meeting. Piscataway, NJ: IEEE, 2009: 119
[20]
W. Wang, K. Xiong, R. M. Wallace, K. Cho. Impact of interfacial oxygen content on bonding, stability, band offsets, and interface states of GaAs:HfO2 interfaces. J. Phys. Chem. C, 2010, 114(51): 22610–22618
[21]
C. L. Hinkle, E. M. Vogel, P. D. Ye, R. M. Wallace. Interfacial chemistry of oxides on InxGa(1–x) As and implications for MOSFET applications. Curr. Opin. Solid St. M., 2011, 15(5): 188–207
[22]
K. Kukli, M. Ritala, T. Sajavaara, J. Keinonen, M. Leskelä. Atomic layer deposition of hafnium dioxide films from hafnium tetrakis(ethylmethylamide) and water. Chem. Vapor. Depos., 2002, 8(5): 199–204
[23]
S. Keun Kim, C. Seong Hwang, S. H. Ko Park, S. Jin Yun. Comparison between ZnO films grown by atomic layer deposition using H2O or O3 as oxidant. Thin Solid Films, 2005, 478(1−2): 103–108
[24]
G. Henkelman, A. Arnaldsson, H. Jónsson. A fast and robust algorithm for Bader decomposition of charge density. Comp. Mater. Sci., 2006, 36(3): 354–360
[25]
J. Robertson. Model of interface states at III-V oxide interfaces. Appl. Phys. Lett., 2009, 94(15): 152104
[26]
W. Wang, G. Lee, M. Huang, R. M. Wallace, K. Cho. First-principles study of GaAs (001)-β2 (2 × 4) surface oxidation and passivation with H, Cl, S, F, and GaO. J. Appl. Phys., 2010, 107(10): 103720
[27]
W. Wang, K. Xiong, C. Gong, R. M. Wallace, K. Cho. Si passivation effects on atomic bonding and electronic properties at HfO2/GaAs interface: A first-principles study. J. Appl. Phys., 2011, 109(6): 063704
[28]
J. Robertson. Band offsets of wide-band-gap oxides and implications for future electronic devices. J. Vac. Sci. Technol. B, 2000, 18(3): 1785–1791
[29]
G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony. High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations. J. Appl. Phys., 2001, 89(10): 5243–5275
[30]
C. G. van de Walle, R. M. Martin. Theoretical study of band offsets at semiconductor interfaces. Phys. Rev. B Condens. Matter, 1987, 35(15): 8154–8165
[31]
H. M. Al-Allak, S. J. Clark. Valence-band offset of the lattice-matched β-FeSi2(100)/Si(001) heterostructure. Phys. Rev. B, 2001, 63(3): 033311
[32]
V. V. Afanas’ev, Energy barriers at interfaces of (100)GaAs with atomic layer deposited Al2O3 and HfO2. Appl. Phys. Lett., 2008, 93(21): 212104
[33]
G. Seguini, M. Perego, S. Spiga, M. Fanciulli, A. Dimoulas. Conduction band offset of HfO2 on GaAs. Appl. Phys. Lett., 2007, 91(19): 192902
[34]
G. K. Dalapati, H. J. Oh, S. J. Lee, A. Sridhara, A. S. W. Wong, D. Chi. Energy-band alignments of HfO2 on p-GaAs substrates. Appl. Phys. Lett., 2008, 92(4): 042120
[35]
J. Robertson, B. Falabretti. Band offsets of high K gate oxides on III-V semiconductors. J. Appl. Phys., 2006, 100(1): 014111
[36]
A. G. Cullis, L. T. Canham. Visible light emission due to quantum size effects in highly porous crystalline silicon. Nature, 1991, 353(6342): 335–338
[37]
V. Lehmann, U. Gösele. Porous silicon formation: A quantum wire effect. Appl. Phys. Lett., 1991, 58(8): 856–858
[38]
J. Zhu, Z. G. Liu. Structure and dielectric properties of ultra-thin ZrO2 films for high-k gate dielectric application prepared by pulsed laser deposition. Appl. Phys. A-Mater., 2004, 78(5): 741–744
[39]
C. L. Hinkle, GaAs interfacial self-cleaning by atomic layer deposition. Appl. Phys. Lett., 2008, 92(7): 071901
[40]
C. L. Hinkle, Detection of Ga suboxides and their impact on III-V passivation and Fermi-level pinning. Appl. Phys. Lett., 2009, 94(16): 162101
[41]
W. H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling. Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing. New York: Cambridge University Press, 1986
[42]
J. P. Perdew, M. Ernzerhof, K. Burke. Rationale for mixing exact exchange with density functional approximations. J. Chem. Phys., 1996, 105(22): 9982–9985
[43]
P. Hohenberg, W. Kohn. Inhomogeneous electron gas. Phys. Rev., 1964, 136(3B): B864–B871
[44]
W. Kohn, L. J. Sham. Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys. Rev., 1965, 140(4A): A1133–A1138
[45]
J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett., 1996, 77(18): 3865–3868
[46]
L. C. West, S. J. Eglash. First observation of an extremely large-dipole infrared transition within the conduction band of a GaAs quantum well. Appl. Phys. Lett., 1985, 46(12): 1156–1158

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (11304161, 11104148, and 51171082), the Tianjin Natural Science Foundation (13JCYBJC41100 and 14JCZDJC37700), the National Basic Research Program of China (973 Program) (2014CB931703), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20110031110034), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities. Kyeongjae Cho was supported by the Global Frontier Center for Multiscale Energy Systems at Seoul National University in Korea. We thank the technology support from the Texas Advanced Computing Center (TACC) at the University of Texas at Austin (http://www.tacc.utexas.edu) for providing computing resources.
Compliance with ethics guidelines
Weichao Wang, Cheng Gong, Ka Xiong, Santosh K. C., Robert M. Wallace, and Kyeongjae Cho declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.
基金
本研究得到了国家自然科学基金(11304161,11104148和51171082)、天津市自然科学基金(13JCYBJC41100和14JCZDJC37700)、国家重点基础研究发展计划(973项目) (2014CB931703)、高等学校博士学科点专项科研基金(20110031110034)和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。Kyeongjae Cho得到了韩国首尔国立大学多尺度能量系统全球前沿中心的资助。()
PDF(1922 KB)

Accesses

Citation

Detail

段落导航
相关文章

/