The origin of negative charging in amorphous Al2O3 films: the role of native defects

材料科学 无定形固体 电子 电荷(物理) 凝聚态物理 氧化物 带隙 密度泛函理论 原子物理学 分析化学(期刊) 结晶学 物理 光电子学 计算化学 化学 量子力学 冶金 色谱法
作者
Oliver A. Dicks,Jonathon Cottom,Alexander L. Shluger,Valeri Afanas’ev
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
卷期号:30 (20): 205201-205201 被引量:101
标识
DOI:10.1088/1361-6528/ab0450
摘要

Amorphous aluminum oxide Al2O3 (a-Al2O3) layers grown by various deposition techniques contain a significant density of negative charges. In spite of several experimental and theoretical studies, the origin of these charges still remains unclear. We report the results of extensive density functional theory calculations of native defects-O and Al vacancies and interstitials, as well as H interstitial centers-in different charge states in both crystalline α-Al2O3 and in a-Al2O3. The results demonstrate that both the charging process and the energy distribution of traps responsible for negative charging of a-Al2O3 films (Zahid et al 2010 IEEE Trans. Electron Devices 57 2907) can be understood assuming that the negatively charged Oi and VAl defects are nearly compensated by the positively charged Hi, VO and Ali defects in as prepared samples. Following electron injection, the states of Ali, VO or Hi in the band gap become occupied by electrons and sample becomes negatively charged. The optical excitation energies from these states into the oxide conduction band agree with the results of exhaustive photo-depopulation spectroscopy measurements (Zahid et al 2010 IEEE Trans. Electron Devices 57 2907). This new understanding of the origin of negative charging of a-Al2O3 films is important for further development of nanoelectronic devices and solar cells.
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