The mechanism of improving germanium metal–oxide–semiconductor field-effect transistors’ reliability by high-k dielectric and yttrium-doping: From the view of charge trapping

兴奋剂 材料科学 电介质 光电子学 晶体管 场效应晶体管 俘获 半导体 凝聚态物理 电荷(物理) 氧化物 电气工程 冶金 物理 工程类 电压 生物 量子力学 生态学
作者
Tao Xiong,Juehan Yang,Hui‐Xiong Deng,Zhongming Wei,Yue‐Yang Liu
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:132 (17) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0112814
摘要

The application of germanium (Ge)-based transistors has long been restricted by the poor reliability of the gate dielectrics. One solution proposed in the experiment is capping the GeO2 layer with high-k dielectrics and further doping the dielectric with yttrium (Y) atoms. However, the strategy only works at a very small doping concentration window, and the underlying mechanism remains unclear. Here, we carry out first-principles calculations on a concrete Ge/GeO2/ZrO2 stack to study the structural and electronic properties of various defects before and after Y-doping and further calculate their exact charge-trapping rates by the Marcus charge transfer theory. We show that the Y atoms can effectively weaken the charge-trapping capability of vacancy defects in the ZrO2 layer, but on the other hand, they can induce some new types of active defects if the density is high. In addition, it is found that the Y atoms can have a very different effect even when doped to the same material. These results indicate that a precise control of the doping position and doping concentration is necessary to promote the reliability of Ge transistors.
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