Characterisation of rare earth oxide/III-V nitride semiconductor systems for electronic applications

The metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) is one of the foremost semiconductor devices, for its importance in logic circuits that delivers powerful and accessible computers. The efficiency and cost of microchips go hand in hand with the decreasing dimension of the devices; however, this impressive downscaling resulted in a no longer reliability of Silicon, key material in semiconductor industry, because of quantum effects such as tunnelling of electrons through the SiO2 gate. As a result, new materials and devices are researched intensively. In this work, the focus is the characterisation of a particular high- dielectric/new generation semiconductor gate stack: hexagonal epitaxial GdScO3 on GaN grown on Si(111) wafers, already considered ground-breaking for optoelectronic devices and high electron mobility transistors. The correlation between structure, electronic bands and electrical properties are investigated. X-ray diffractography evidenced that the oxide layer is hexagonal, epitaxial relaxed with respect to Wurtzite GaN. The relative permittivity emerged by capacitance-voltage measurements fulfils the requirements of high- dielectrics. The staggered band alignment between GaN and GdScO3, measured with X-ray photoelectron spectroscopy, finds evidence in a asymmetric dielectric breakdown strength in current-voltage measurements. Closely related systems are studied along with the aforementioned crystalline GdScO3/GaN: amorphous GdScO3 and epitaxial LaLuO3 on the edge of dielectrics, Al0.5Ga0.5N and GaN grown on sapphire wafers on the edge of semiconductors. All the systems presented the staggered band alignment. The strong influence of growth defects on the gate performances are evident and discussed. Thanks to the evaluation of the behaviour of different systems, the possible sources of staggered band alignment are hypothesised. In the end, an outline to further research and imaginable applications of the systems are depicted.

I MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistors) costituiscono alcuni fra i più importanti componenti per l’elettronica, a causa del ruolo fondamentale che ricoprono nei circuiti integrati ad uso elettronico ed informatico. L’efficienza e i costi dei MOSFET vanno di pari passo con la riduzione delle dimensioni dei componenti; tuttavia, questa miniaturizzazione spinta è recentemente sfociata in un drastico deterioramento dell’affidabilità e delle presazioni dei dispositivi, a causa della non compatibilità del Silicio e del suo ossido SiO2 - materiali chiave per decenni nell’industria elettronica - approcciando la scala nanometrica, per via del sorgere di effetti di confinamento quantistico come il tunnelling di elettroni attraverso l’ossido nella regione del gate. Di conseguenza, lo studio di nuovi materiali per applicazioni elettroniche è estremamente sviluppato e di notevole importanza per l’evoluzione dei circuiti integrati. In questo lavoro di tesi, lo scopo è la caratterizzazione dell’accostamento di un ossido ad alta permittività con un semiconduttore ad alte prestazioni: GdScO3 cristallino, ottenuto per crescita epitassiale, su GaN, già considerato un materiale rivoluzionario nel campo dell’optoelettronica e nei transistor ad alta mobilità elettronica, a sua volta cresciuto per molecular beam epitaxy (MBE) su wafer di Silicio (111). La ricerca si focalizza sulla correlazione fra struttura cristallografica, bande elettroniche e proprietà elettriche di GSO-GaN/Si(111), analizzate facendo uso di MOS capacitors che rappresentano macroscopicamente il comportamento del gate nei MOSFET. L’elaborato è strutturato in cinque capitoli, di cui un’introduzione ed una conclusione, ed un’appendice. Nell’Introduzione sono illustrati i contenuti dei capitoli. Nel Capitolo 1 è fornito un background teorico per inquadrare lo scopo della ricerca, seguito da una dettagliata lista di obiettivi; sono esposte le caratteristiche di ossidi ad alta permittività e di semiconduttori ad alta mobilità, con particolare attenzione verso gli ossidi di terre rare e la classe dei III-V nitrides semiconductors; il funzionamento del MOS capacitor è descritto. Nel Capitolo 2, sono forniti gli elementi teorici delle tecniche analitiche impiegate, e per l’interpretazione dei risultati. Nel Capitolo 3 sono elencati i dettagli dei sistemi in analisi e dei parametri utilizzati sperimentalmente nelle misure, mentre l’Appendice A fornisce i dettagli sulla preparazione dei campioni eseguita esternamente, alleggerendo la discussione dei risultati nel Capitolo 4. In quest’ultimo sono esposti e progressivamente discussi i risultati ottenuti dalle diverse analisi. Analisi di diffrattografia a raggi X (XRD) mostrano la cristallinità del layer di ossido e l’effettivo ottenimento della crescita epitassiale di GSO su GaN (Wurtzite, esagonale), con un rilassamento dei parametri reticolari rispetto al semiconduttore causato dal maggior raggio ionico delle specie costituenti l’ossido. La costante dielettrica derivata da misure di capacità in risposta ad un potenziale applicato ai terminali del MOS capacitor presenta valori sufficienti da giustificare l’annoveramento di GSO fra gli ossidi ad alto . Spettroscopia XPS è usata per determinare la natura dei legami nei layer e descrivere le bande elettroniche all’interfaccia fra ossido e semiconduttore. Questo risulta non centrato (staggered), dove la banda di conduzione del GaN è energeticamente più elevata della banda di conduzione del GSO, contrariamente a quanto verificato generalmente nei gate. Ciò trova conferma nell’asimmetria della risposta elettrica (corrente) alla stimolazione dei campioni con potenziali di polarità opposta. Sistemi strettamente correlati a GSO-GaN/Si(111) sono studiati in parallelo: dal versante degli ossidi è stato fatto uso di GSO amorfo e LLO (LuLaO3), mentre Al0.5Ga0.5N e GaN depositato su wafer di zaffiro sono stati adottati come semiconduttori alternativi. Tutti i sistemi hanno presentato lo stesso disallineamento delle bande elettroniche. Grazie all’analisi di diversi sistemi che differiscono di caratteristiche di base, è possibile ipotizzare la sorgente di disallineamento delle bande; inoltre, la forte influenza dei difetti di crescita nel semiconduttore sull’ossido epitassiale, con conseguenti effetti sulle prestazioni del sistema, è evidente da analisi di microscopia e discussa alla luce dei comportamenti rilevati nelle precedenti caratterizzazioni. In Conclusione sono ripresi i risultati ottenuti correlando le diverse analisi, con un elenco degli interessanti spunti per la ricerca futura.