First Principles Calculation of Band Offsets and Defect Energy Levels in Al₂O₃/β-Ga₂O₃ Interface Structures with Point Defects

空位缺陷 材料科学 电介质 晶体缺陷 MOSFET 带偏移量 密度泛函理论 光电子学 电子能带结构 场效应晶体管 晶体管 带隙 物理 凝聚态物理 电气工程 计算化学 价带 化学 电压 冶金 工程类
作者
Junsung Park,Sung‐Min Hong
出处
期刊:Journal of Semiconductor Technology and Science [Institute of Electronics Engineers of Korea]
卷期号:19 (4): 413-425 被引量:8
标识
DOI:10.5573/jsts.2019.19.4.413
摘要

The β -Ga₂O₃ (beta-gallium oxide) is one of the most promising candidate materials for the future power and RF (radio frequency) devices. The Al₂O₃ (aluminum oxide) is widely adopted as the gate dielectric layer, which is mandatory for developing the Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) based on Ga₂O₃. Therefore, the theoretical investigation on the properties of the Al₂O₃/ β -Ga O interface is required. We have generated several atomistic models for the Al₂O₃ / β -Ga₂O₃ interface, whose structural parameters are consistent with the experimental findings. From the electronic band structure based on the density-functional theory (DFT) calculation, it is confirmed that the generated interface structures are physically stable. The band offsets between the Ga₂O₃ channel and the Al₂O₃ dielectric layer are calculated for various interface structures. For both the conduction band and the valence band, the Al₂O₃ / β -Ga₂O₃ interface provides sufficiently large band offsets, which makes it attractive for the MOSFET application. The point defects in the interface structure play a critical role in determining the device characteristics. The formation energies and transition levels of various point defects are calculated by using the DFT. It is found that the Ga-, O-, and Al- vacancies have the energy levels close to the conduction band minimum. It is expected that those vacancy defects act as the electron traps at the interface.
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