High performance gate stacks are critically needed for the development of β-Ga2O3 power transistors. Significant improvement in the performance of β-Ga2O3 gate stacks is demonstrated in this work by using SiO2 as an interlayer dielectric between Al2O3 and β-Ga2O3. The presence of SiO2 results in an 800× reduction in gate leakage current along with a 1.7× increase in the electric breakdown field. Additionally, the capacitance-voltage characteristics show an increase in flat band voltage (from 0.74 V to 3.25 V) that can enable normally off power transistors. The lowest interface trap density (Dit) of 5.1 × 1010 cm−2 eV−1 for the SiO2/β-Ga2O3 interface has been demonstrated through the use of a piranha clean before SiO2 deposition on β-Ga2O3 for the first time. Reduction (8×) in Dit, hysteresis (from 0.17 V to 0.05 V), and border trap density indicate substantial improvement in the quality of the β-Ga2O3/gate dielectric interface for the Al2O3/SiO2 bilayer stack as compared to only Al2O3.

1.
H. H.
Tippins
,
Phys. Rev.
140
,
A316
(
1965
).
2.
H.
He
,
R.
Orlando
,
M. A.
Blanco
,
R.
Pandey
,
E.
Amzallag
,
I.
Baraille
, and
M.
Rérat
,
Phys. Rev. B
74
,
195123
(
2006
).
3.
N.
Ma
,
N.
Tanen
,
A.
Verma
,
Z.
Guo
,
T.
Luo
,
H. G.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
212101
(
2016
).
4.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
013504
(
2012
).
5.
Y.
Oshima
,
E. G.
Víllora
,
Y.
Matsushita
,
S.
Yamamoto
, and
K.
Shimamura
,
J. Appl. Phys.
118
,
085301
(
2015
).
6.
H.
Aida
,
K.
Nishiguchi
,
H.
Takeda
,
N.
Aota
,
K.
Sunakawa
, and
Y.
Yaguchi
,
Jpn. J. Appl. Phys. Part 1
47
,
8506
(
2008
).
7.
M.-Y.
Tsai
,
O.
Bierwagen
,
M. E.
White
, and
J. S.
Speck
,
J. Vac. Sci. Technol., A
28
,
354
(
2010
).
8.
Y.
Kokubun
,
K.
Miura
,
F.
Endo
, and
S.
Nakagomi
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
031912
(
2007
).
9.
T.
Oshima
,
T.
Okuno
,
N.
Arai
,
N.
Suzuki
,
H.
Hino
, and
S.
Fujita
,
Jpn. J. Appl. Phys. Part 1
48
,
011605
(
2009
).
10.
K.
Konishi
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
103506
(
2017
).
11.
W.
Li
,
Z.
Hu
,
K.
Nomoto
,
Z.
Zhang
,
J.-Y.
Hsu
,
Q. T.
Thieu
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
202101
(
2018
).
12.
C.
Joishi
,
S.
Rafique
,
Z.
Xia
,
L.
Han
,
S.
Krishnamoorthy
,
Y.
Zhang
,
S.
Lodha
,
H.
Zhao
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Express
11
,
031101
(
2018
).
13.
S.
Krishnamoorthy
,
Z.
Xia
,
C.
Joishi
,
Y.
Zhang
,
J.
McGlone
,
J.
Johnson
,
M.
Brenner
,
A. R.
Arehart
,
J.
Hwang
,
S.
Lodha
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
023502
(
2017
).
14.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
T.
Kamimura
,
M.
Hoi Wong
,
D.
Krishnamurthy
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
123511
(
2013
).
15.
T.-H.
Hung
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
D. N.
Nath
,
P.
Sung Park
,
C.
Polchinski
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
162106
(
2014
).
16.
H.
Zhou
,
S.
Alghmadi
,
M.
Si
,
G.
Qiu
, and
P. D.
Ye
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
1411
(
2016
).
17.
A.
Jayawardena
,
R. P.
Ramamurthy
,
A. C.
Ahyi
,
D.
Morisette
, and
S.
Dhar
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
192108
(
2018
).
18.
K.
Konishi
,
T.
Kamimura
,
M. H.
Wong
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwaki
,
Phys. Status Solidi B
253
,
623
(
2016
).
19.
K.
Zeng
,
Y.
Jia
, and
U.
Singisetti
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
906
(
2016
).
20.
H.
Kambayashi
,
T.
Nomura
,
H.
Ueda
,
K.
Harada
,
Y.
Morozumi
,
K.
Hasebe
,
A.
Teramoto
,
S.
Sugawa
, and
T.
Ohmi
,
Jpn. J. Appl. Phys. Part 1
52
,
04CF09
(
2013
).
21.
H.
Dong
,
W.
Mu
,
Y.
Hu
,
Q.
He
,
B.
Fu
,
H.
Xue
,
Y.
Qin
,
G.
Jian
,
Y.
Zhang
,
S.
Long
,
Z.
Jia
,
H.
Lv
,
Q.
Liu
,
X.
Tao
, and
M.
Liu
,
AIP Adv.
8
,
065215
(
2018
).
22.
K. H.
Yoon
,
H.
Kim
,
Y.-E.
Koo Lee
,
N. K.
Shrestha
, and
M. M.
Sung
,
RSC Adv.
7
,
5601
(
2017
).
23.
Y.-S.
Min
,
Y. J.
Cho
, and
C. S.
Hwang
,
Chem. Mater.
17
,
626
(
2005
).
24.
L.-S.
Yoon
and
S.
Kim
,
RSC Adv.
7
(
1
),
56
(
2017
).
25.
N.
Koslowski
,
S.
Sanctis
,
R. C.
Hoffmann
,
M.
Bruns
, and
J. J.
Schneider
,
J. Mater. Chem. C
7
,
1048
(
2019
).
26.
J. B.
Kim
,
D. R.
Kwon
,
K.
Chakrabarti
,
C.
Lee
,
K. Y.
Oh
, and
J. H.
Lee
,
J. Appl. Phys.
92
,
6739
(
2002
).
27.
D.
Hiller
,
R.
Zierold
,
J.
Bachmann
,
M.
Alexe
,
Y.
Yang
,
J. W.
Gerlach
,
A.
Stesmans
,
M.
Jivanescu
,
U.
Müller
,
J.
Vogt
,
H.
Hilmer
,
P.
Löper
,
M.
Künle
,
F.
Munnik
,
K.
Nielsch
, and
M.
Zacharias
,
J. Appl. Phys.
107
,
064314
(
2010
).
28.
S.
Alexandrova
,
A.
Szekeres
,
E.
Halova
, and
N.
Kojuharova
,
J. Phys.: Conf. Ser.
558
,
012054
(
2014
).
29.
J.
Wook Lim
,
S.
Yun
, and
L.
Jh
,
ETRI J.
27
,
118
(
2005
).
30.
J. B.
Kim
,
D. R.
Kwon
,
K.
Chakrabarti
,
C.
Lee
,
K. Y.
Oh
, and
J. H.
Lee
,
IEEE Trans. Magn.
25
,
1115
(
2002
).
31.
Y.
Yao
,
R.
Gangireddy
,
J.
Kim
,
K. K.
Das
,
R. F.
Davis
, and
L. M.
Porter
,
J. Vac. Sci. Technol., B
35
,
03D113
(
2017
).
32.
H.
Kamata
and
K.
Kita
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
102106
(
2017
).
33.
D.
Biswas
,
J.
Biswas
,
S.
Ghosh
,
B.
Wood
, and
S.
Lodha
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
052104
(
2017
).
34.
A.
Boogaard
,
A.
Kovalgin
, and
R. A. M.
Wolters
,
ECS Trans.
35
,
259
(
2011
).
35.
B. L.
Swenson
and
U. K.
Mishra
,
J. Appl. Phys.
106
,
064902
(
2009
).
36.
V. D.
Wheeler
,
D. I.
Shahin
,
M. J.
Tadjer
, and
C. R.
Eddy
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
Q3052
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.