Charge Trapping and Emission Properties in CAAC-IGZO Transistor: A First-Principles Calculations

材料科学 费米能级 电介质 阈值电压 晶体管 光电子学 栅极电介质 电子 原子物理学 电压 电气工程 物理 量子力学 工程类
作者
Ziqi Wang,Nianduan Lu,Jiawei Wang,Di Geng,Lingfei Wang,Guanhua Yang
出处
期刊:Materials [MDPI AG]
卷期号:16 (6): 2282-2282 被引量:4
标识
DOI:10.3390/ma16062282
摘要

The c-axis aligned crystalline indium-gallium-zinc-oxide field-effect transistor (CAAC-IGZO FET), exhibiting an extremely low off-state leakage current (~10−22 A/μm), has promised to be an ideal candidate for Dynamic Random Access Memory (DRAM) applications. However, the instabilities leaded by the drift of the threshold voltage in various stress seriously affect the device application. To better develop high performance CAAC-IGZO FET for DRAM applications, it’s essential to uncover the deep physical process of charge transport mechanism in CAAC-IGZO FET. In this work, by combining the first-principles calculations and nonradiative multiphonon theory, the charge trapping and emission properties in CAAC-IGZO FET have been systematically investigated. It is found that under positive bias stress, hydrogen interstitial in Al2O3 gate dielectric is probable effective electron trap center, which has the transition level (ε (+1/−1) = 0.52 eV) above Fermi level. But it has a high capture barrier about 1.4 eV and low capture rate. Under negative bias stress, oxygen vacancy in Al2O3 gate dielectric and CAAC-IGZO active layer are probable effective electron emission centers whose transition level ε (+2/0) distributed at −0.73~−0.98 eV and 0.69 eV below Fermi level. They have a relatively low emission barrier of about 0.5 eV and 0.25 eV and high emission rate. To overcome the instability in CAAC-IGZO FET, some approaches can be taken to control the hydrogen concentration in Al2O3 dielectric layer and the concentration of the oxygen vacancy. This work can help to understand the mechanisms of instability of CAAC-IGZO transistor caused by the charge capture/emission process.
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