Please wait a minute...
Submit  |   Chinese  | 
Advanced Search
   Home  |  Online Now  |  Current Issue  |  Focus  |  Archive  |  For Authors  |  Journal Information   Open Access  
Submit  |   Chinese  | 
Engineering    2015, Vol. 1 Issue (3) : 372 -377
Research |
Materials Design on the Origin of Gap States in a High-κ/GaAs Interface
Weichao Wang1,2,Cheng Gong1,Ka Xiong1,Santosh K.C.1,Robert M. Wallace1,Kyeongjae Cho1,()
1. Department of Materials Science and Engineering, The University of Texas at Dallas, Richardson, TX 75080, USA
2. College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China

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     
Corresponding Authors: Kyeongjae Cho   
Just Accepted Date: 17 September 2015   Issue Date: 16 October 2015
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
Weichao Wang
Cheng Gong
Ka Xiong
Santosh K.C.
Robert M. Wallace
Kyeongjae Cho
Cite this article:   
Weichao Wang,Cheng Gong,Ka Xiong, et al. Materials Design on the Origin of Gap States in a High-κ/GaAs Interface[J]. Engineering, 2015, 1(3): 372 -377 .
URL:     OR
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.
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
[1] Holger Krueger. Standardization for Additive Manufacturing in Aerospace[J]. Engineering, 2017, 3(5): 585 .
[2] Joe A. Sestak Jr.. High School Students from 157 Countries Convene to Address One of the 14 Grand Challenges for Engineering: Access to Clean Water[J]. Engineering, 2017, 3(5): 583 -584 .
[3] Lance A. Davis. Climate Agreement—Revisited[J]. Engineering, 2017, 3(5): 578 -579 .
[4] Ben A. Wender, M. Granger Morgan, K. John Holmes. Enhancing the Resilience of Electricity Systems[J]. Engineering, 2017, 3(5): 580 -582 .
[5] Jin-Xun Liu, Peng Wang, Wayne Xu, Emiel J. M. Hensen. Particle Size and Crystal Phase Effects in Fischer-Tropsch Catalysts[J]. Engineering, 2017, 3(4): 467 -476 .
[6] Luis Ribeiro e Sousa, Tiago Miranda, Rita Leal e Sousa, Joaquim Tinoco. The Use of Data Mining Techniques in Rockburst Risk Assessment[J]. Engineering, 2017, 3(4): 552 -558 .
[7] Maggie Bartolomeo. Third Global Grand Challenges Summit for Engineering[J]. Engineering, 2017, 3(4): 434 -435 .
[8] Michael Powalla, Stefan Paetel, Dimitrios Hariskos, Roland Wuerz, Friedrich Kessler, Peter Lechner, Wiltraud Wischmann, Theresa Magorian Friedlmeier. Advances in Cost-Efficient Thin-Film Photovoltaics Based on Cu(In,Ga)Se2[J]. Engineering, 2017, 3(4): 445 -451 .
[9] Raffaella Ocone. Reconciling “Micro” and “Macro” through Meso-Science[J]. Engineering, 2017, 3(3): 281 -282 .
[10] Baoning Zong, Bin Sun, Shibiao Cheng, Xuhong Mu, Keyong Yang, Junqi Zhao, Xiaoxin Zhang, Wei Wu. Green Production Technology of the Monomer of Nylon-6: Caprolactam[J]. Engineering, 2017, 3(3): 379 -384 .
[11] Pengcheng Xu, Yong Jin, Yi Cheng. Thermodynamic Analysis of the Gasification of Municipal Solid Waste[J]. Engineering, 2017, 3(3): 416 -422 .
[12] Lei Xu, Jinhui Peng, Hailong Bai, C. Srinivasakannan, Libo Zhang, Qingtian Wu, Zhaohui Han, Shenghui Guo, Shaohua Ju, Li Yang. Application of Microwave Melting for the Recovery of Tin Powder[J]. Engineering, 2017, 3(3): 423 -427 .
[13] Ee Teng Kho, Salina Jantarang, Zhaoke Zheng, Jason Scott, Rose Amal. Harnessing the Beneficial Attributes of Ceria and Titania in a Mixed-Oxide Support for Nickel-Catalyzed Photothermal CO2 Methanation[J]. Engineering, 2017, 3(3): 393 -401 .
[14] Ke Dang, Tuo Wang, Chengcheng Li, Jijie Zhang, Shanshan Liu, Jinlong Gong. Improved Oxygen Evolution Kinetics and Surface States Passivation of Ni-Bi Co-Catalyst for a Hematite Photoanode[J]. Engineering, 2017, 3(3): 285 -289 .
[15] Mu Xiao, Songcan Wang, Supphasin Thaweesak, Bin Luo, Lianzhou Wang. Tantalum (Oxy)Nitride: Narrow Bandgap Photocatalysts for Solar Hydrogen Generation[J]. Engineering, 2017, 3(3): 365 -378 .
Copyright © 2015 Higher Education Press & Engineering Sciences Press, All Rights Reserved.