Epitaxial ScxAl1−xN thin films of ∼100 nm thickness grown on metal polar GaN substrates are found to exhibit significantly enhanced relative dielectric permittivity (εr) values relative to AlN. εr values of ∼17–21 for Sc mole fractions of 17%–25% (x = 0.17–0.25) measured electrically by capacitance–voltage measurements indicate that ScxAl1−xN has the largest relative dielectric permittivity of any existing nitride material. Since epitaxial ScxAl1−xN layers deposited on GaN also exhibit large polarization discontinuity, the heterojunction can exploit the in situ high-K dielectric property to extend transistor operation for power electronics and high-speed microwave applications.
References
1.
High-Frequency GaN Electronic Devices
, edited by P.
Fay
, D.
Jena
, and P.
Maki
(Springer
, 2019
).2.
J.
Robertson
, Rep. Prog. Phys.
69
, 327
(2006
).3.
C.-H.
Lee
, S.-H.
Hur
, Y.-C.
Shin
, J.-H.
Choi
, D.-G.
Park
, and K.
Kim
, Appl. Phys. Lett.
86
, 152908
(2005
).4.
R. H.
Fowler
and L. W.
Nordheim
, Proc. R. Soc. London, Ser. A
119
, 173
(1928
).5.
L. W.
Nordheim
, Proc. R. Soc. London, Ser. A
121
, 626
(1928
).6.
A. I.
Kingon
, J.-P.
Maria
, and S. K.
Streiffer
, Nature
406
, 1032
(2000
).7.
J.
Casamento
, H.
Lee
, C. S.
Chang
, M. F.
Besser
, T.
Maeda
, D. A.
Muller
, H. G.
Xing
, and D.
Jena
, APL Mater.
9
, 091106
(2021
).8.
D. F.
Urban
, O.
Ambacher
, and C.
Elsässer
, Phys. Rev. B
103
, 115204
(2021
).9.
N.
Kurz
, A.
Ding
, D. F.
Urban
, Y.
Lu
, L.
Kirste
, N. M.
Feil
, A.
Žukauskaitė
, and O.
Ambacher
, J. Appl. Phys.
126
, 075106
(2019
).10.
N.
Farrer
and L.
Bellaiche
, Phys. Rev. B
66
, 201203(R)
(2002
).11.
V.
Ranjan
, L.
Bellaiche
, and E. J.
Walter
, Phys. Rev. Lett.
90
, 257602
(2003
).12.
A.
Qteish
, P.
Rinke
, M.
Scheffler
, and J.
Neugebauer
, Phys. Rev. B
74
, 245208
(2006
).13.
J.
Casamento
, J.
Wright
, R.
Chaudhuri
, H.
Xing
, and D.
Jena
, Appl. Phys. Lett.
115
, 172101
(2019
).14.
S.
Manna
, G. L.
Brennecka
, V.
Stevanović
, and C. V.
Ciobanu
, J. Appl. Phys.
122
, 105101
(2017
).15.
G.
Yu
, in Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe
, edited by M. E.
Levinshtein
, S. L.
Rumyantsev
, and M. S.
Shur
(John Wiley & Sons, Inc
., New York
, 2001
), pp. 31
–47
.16.
R. D.
Shannon
, J. Appl. Phys.
73
, 348
(1993
).17.
A.
Mazzalai
and B.
Heinz
, in 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS)
(IEEE
, 2018
), pp. 1
–2
.18.
M.
Pirro
, B.
Herrera
, M.
Assylbekova
, G.
Giribaldi
, L.
Colombo
, and M.
Rinaldi
, in 2021 IEEE 34th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)
(IEEE
, Gainesville, FL
, 2021
), pp. 646
–649
.19.
J.
Wang
, M.
Park
, S.
Mertin
, T.
Pensala
, F.
Ayazi
, and A.
Ansari
, J. Microelectromech. Syst.
29
, 741
(2020
).20.
S.
Mertin
, C.
Nyffeler
, T.
Makkonen
, B.
Heinz
, A.
Mazzalai
, in T.
Schmitz-Kempen
, S.
Tiedke
, T.
Pensala
, and P.
Muralt
, 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS)
(IEEE
, Glasgow
, 2019
), pp. 2592
–2595
.21.
M.
Moreira
, J.
Bjurström
, I.
Katardjev
, and V.
Yantchev
, Vacuum
86
, 23
(2011
).22.
R.
Matloub
, M.
Hadad
, A.
Mazzalai
, N.
Chidambaram
, G.
Moulard
, C. S.
Sandu
, T.
Metzger
, and P.
Muralt
, Appl. Phys. Lett.
102
, 152903
(2013
).23.
Q.
Wang
, Y.
Lu
, S.
Mishin
, Y.
Oshmyansky
, and D. A.
Horsley
, J. Microelectromech. Syst.
26
, 1132
(2017
).24.
R. H.
Olsson
, Z.
Tang
, and M.
D'Agati
, in 2020 IEEE Custom Integrated Circuits Conference
(IEEE
, Boston, MA
, 2020
), pp. 1
–6
.25.
M.
Akiyama
, K.
Umeda
, A.
Honda
, and T.
Nagase
, Appl. Phys. Lett.
102
, 021915
(2013
).26.
G.
Wingqvist
, F.
Tasnádi
, A.
Zukauskaite
, J.
Birch
, H.
Arwin
, and L.
Hultman
, Appl. Phys. Lett.
97
, 112902
(2010
).27.
T.
Yanagitani
and M.
Suzuki
, Appl. Phys. Lett.
105
, 122907
(2014
).28.
K.
Umeda
, H.
Kawai
, A.
Honda
, M.
Akiyama
, T.
Kato
, and T.
Fukura
, in 2013 IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)
(IEEE
, Taipei
, 2013
), pp. 733
–736
.29.
Y.
Zhang
, W.
Zhu
, D.
Zhou
, Y.
Yang
, and C.
Yang
, J. Mater. Sci.: Mater. Electron.
26
, 472
(2015
).30.
O.
Ambacher
, B.
Christian
, N.
Feil
, D. F.
Urban
, C.
Elsässer
, M.
Prescher
, and L.
Kirste
, J. Appl. Phys.
130
, 045102
(2021
).31.
P. E.
Blöchl
, Phys. Rev. B
50
, 17953
(1994
).32.
G.
Kresse
and J.
Hafner
, Phys. Rev. B
48
, 13115
(1993
).33.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
).34.
J.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
).35.
F.
Tasnádi
, B.
Alling
, C.
Höglund
, G.
Wingqvist
, J.
Birch
, L.
Hultman
, and I. A.
Abrikosov
, Phys. Rev. Lett.
104
, 137601
(2010
).36.
R.
Dronskowski
and P. E.
Blöchl
, J. Phys. Chem.
97
, 8617
(1993
).37.
S.
Maintz
, V. L.
Deringer
, A. L.
Tchougréeff
, and R.
Dronskowski
, J. Comput. Chem.
37
, 1030
(2016
).38.
J.
Robertson
, J. Vac. Sci. Technol., B: Microelectron. Nanometer Struct.—Process., Meas., Phenom.
18
, 1785
(2000
).39.
P.
Wang
, D. A.
Laleyan
, A.
Pandey
, Y.
Sun
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
116
, 151903
(2020
).40.
M.
Baeumler
, Y.
Lu
, N.
Kurz
, L.
Kirste
, M.
Prescher
, T.
Christoph
, J.
Wagner
, A.
Žukauskaitė
, and O.
Ambacher
, J. Appl. Phys.
126
, 045715
(2019
).41.
G. D.
Wilk
, R. M.
Wallace
, and J. M.
Anthony
, J. Appl. Phys.
89
, 5243
(2001
).42.
K.
Yazawa
, D.
Drury
, A.
Zakutayev
, and G. L.
Brennecka
, Appl. Phys. Lett.
118
, 162903
(2021
).43.
D.
Drury
, K.
Yazawa
, A.
Mis
, K.
Talley
, A.
Zakutayev
, and G. L.
Brennecka
, Phys. Status Solidi RRL
15
, 2100043
(2021
).44.
S.
Yasuoka
, T.
Shimizu
, A.
Tateyama
, M.
Uehara
, H.
Yamada
, M.
Akiyama
, Y.
Hiranaga
, Y.
Cho
, and H.
Funakubo
, J. Appl. Phys.
128
, 114103
(2020
).45.
D.
Wang
, J.
Zheng
, P.
Musavigharavi
, W.
Zhu
, A. C.
Foucher
, S. E.
Trolier-McKinstry
, E. A.
Stach
, and R. H.
Olsson
, IEEE Electron Device Lett.
41
, 1774
(2020
).46.
S.
Fichtner
, N.
Wolff
, F.
Lofink
, L.
Kienle
, and B.
Wagner
, J. Appl. Phys.
125
, 114103
(2019
).47.
S.
Bette
, S.
Fichtner
, S.
Bröker
, L.
Nielen
, T.
Schmitz-Kempen
, B.
Wagner
, C.
Van Buggenhout
, S.
Tiedke
, and S.
Tappertzhofen
, Thin Solid Films
692
, 137623
(2019
).48.
N.
Kurz
, Y.
Lu
, L.
Kirste
, M.
Reusch
, A.
Žukauskaitė
, V.
Lebedev
, and O.
Ambacher
, Phys. Status Solidi A
215
, 1700831
(2018
).49.
M. A.
Caro
, S.
Zhang
, T.
Riekkinen
, M.
Ylilammi
, M. A.
Moram
, O.
Lopez-Acevedo
, J.
Molarius
, and T.
Laurila
, J. Phys.: Condens. Matter
27
, 245901
(2015
).50.
M.
Akiyama
, T.
Kamohara
, K.
Kano
, A.
Teshigahara
, Y.
Takeuchi
, and N.
Kawahara
, Adv. Mater.
21
, 593
(2009
).51.
M.
Akiyama
, K.
Kano
, and A.
Teshigahara
, Appl. Phys. Lett.
95
, 162107
(2009
).52.
Y.
Lu
, M.
Reusch
, N.
Kurz
, A.
Ding
, T.
Christoph
, M.
Prescher
, L.
Kirste
, O.
Ambacher
, and A.
Žukauskaitė
, APL Mater.
6
, 076105
(2018
).53.
Y.
Song
, C.
Perez
, G.
Esteves
, J. S.
Lundh
, C. B.
Saltonstall
, T. E.
Beechem
, J. I.
Yang
, K.
Ferri
, J. E.
Brown
, Z.
Tang
, J.-P.
Maria
, D. W.
Snyder
, R. H.
Olsson
, B. A.
Griffin
, S. E.
Trolier-McKinstry
, B. M.
Foley
, and S.
Choi
, ACS Appl. Mater. Interfaces
13
, 19031
(2021
).54.
M.
Islam
, N.
Wolff
, M.
Yassine
, G.
Schönweger
, B.
Christian
, H.
Kohlstedt
, O.
Ambacher
, F.
Lofink
, L.
Kienle
, and S.
Fichtner
, Appl. Phys. Lett.
118
, 232905
(2021
).55.
T.
Mikolajick
, S.
Slesazeck
, H.
Mulaosmanovic
, M. H.
Park
, S.
Fichtner
, P. D.
Lomenzo
, M.
Hoffmann
, and U.
Schroeder
, J. Appl. Phys.
129
, 100901
(2021
).56.
V. V.
Felmetsger
, in 2017 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS)
(IEEE
, Washington, DC
, 2017
), pp. 1
–5
.57.
M. T.
Hardy
, E. N.
Jin
, N.
Nepal
, D. S.
Katzer
, B. P.
Downey
, V. J.
Gokhale
, D. F.
Storm
, and D. J.
Meyer
, Appl. Phys. Express
13
, 065509
(2020
).58.
K.
Frei
, R.
Trejo-Hernández
, S.
Schütt
, L.
Kirste
, M.
Prescher
, R.
Aidam
, S.
Müller
, P.
Waltereit
, O.
Ambacher
, and M.
Fiederle
, Jpn. J. Appl. Phys.
58
, SC1045
(2019
).59.
M. T.
Hardy
, B. P.
Downey
, N.
Nepal
, D. F.
Storm
, D. S.
Katzer
, and D. J.
Meyer
, Appl. Phys. Lett.
110
, 162104
(2017
).60.
R.
Dargis
, A.
Clark
, A.
Ansari
, Z.
Hao
, M.
Park
, D.
Kim
, R.
Yanka
, R.
Hammond
, M.
Debnath
, and R.
Pelzel
, Phys. Status Solidi A
217
, 1900813
(2020
).61.
T. E.
Kazior
, E. M.
Chumbes
, B.
Schultz
, J.
Logan
, D. J.
Meyer
, and M. T.
Hardy
, in 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS)
(IEEE
, Boston, MA
, 2019
), pp. 1136
–1139
.62.
A. J.
Green
, J. K.
Gillespie
, R. C.
Fitch
, D. E.
Walker
, M.
Lindquist
, A.
Crespo
, D.
Brooks
, E.
Beam
, A.
Xie
, V.
Kumar
, J.
Jimenez
, C.
Lee
, Y.
Cao
, K. D.
Chabak
, and G. H.
Jessen
, IEEE Electron Device Lett.
40
, 1056
(2019
).63.
M.
Park
, Z.
Hao
, D. G.
Kim
, A.
Clark
, R.
Dargis
, and A.
Ansari
, in 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (Transducers Eurosensors XXXIII)
(IEEE
, Berlin
, 2019
), pp. 450
–453
.64.
A.
Ansari
, in 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS)
(IEEE
, Guangzhou
, 2019
), pp. 1
–3
.65.
J.
Ligl
, S.
Leone
, C.
Manz
, L.
Kirste
, P.
Doering
, T.
Fuchs
, M.
Prescher
, and O.
Ambacher
, J. Appl. Phys.
127
, 195704
(2020
).66.
S.
Leone
, J.
Ligl
, C.
Manz
, L.
Kirste
, T.
Fuchs
, H.
Menner
, M.
Prescher
, J.
Wiegert
, A.
Žukauskaitė
, R.
Quay
, and O.
Ambacher
, Phys. Status Solidi RRL
14
, 1900535
(2020
).67.
E. N.
Jin
, M. T.
Hardy
, A. L.
Mock
, J. L.
Lyons
, A. R.
Kramer
, M. J.
Tadjer
, N.
Nepal
, D. S.
Katzer
, and D. J.
Meyer
, ACS Appl. Mater. Interfaces
12
, 52192
(2020
).68.
M.
Park
, Z.
Hao
, R.
Dargis
, A.
Clark
, and A.
Ansari
, J. Microelectromech. Syst.
29
, 490
(2020
).69.
P.
Wang
, B.
Wang
, D. A.
Laleyan
, A.
Pandey
, Y.
Wu
, Y.
Sun
, X.
Liu
, Z.
Deng
, E.
Kioupakis
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
118
, 032102
(2021
).70.
A. L.
Mock
, A. G.
Jacobs
, E. N.
Jin
, M. T.
Hardy
, and M. J.
Tadjer
, Appl. Phys. Lett.
117
, 232107
(2020
).71.
C.
Manz
, S.
Leone
, L.
Kirste
, J.
Ligl
, K.
Frei
, T.
Fuchs
, M.
Prescher
, P.
Waltereit
, M. A.
Verheijen
, A.
Graff
, M.
Simon-Najasek
, F.
Altmann
, M.
Fiederle
, and O.
Ambacher
, Semicond. Sci. Technol.
36
, 034003
(2021
).72.
J.
Casamento
, H. G.
Xing
, and D.
Jena
, Phys. Status Solidi B
257
, 1900612
(2020
).73.
J.
Casamento
, C. S.
Chang
, Y.-T.
Shao
, J.
Wright
, D. A.
Muller
, H. G.
Xing
, and D.
Jena
, Appl. Phys. Lett.
117
, 112101
(2020
).74.
J.
Casamento
, V.
Gund
, H.
Lee
, K.
Nomoto
, T.
Maeda
, B.
Davaji
, M.-J.
Asadi
, J.
Wright
, Y.-T.
Shao
, D. A.
Muller
, A.
Lal
, H. G.
Xing
, and D.
Jena
, arXiv:2105.10114 (2021
).75.
P.
Wang
, D.
Wang
, N. M.
Vu
, T.
Chiang
, J. T.
Heron
, and Z.
Mi
, Appl. Phys. Lett.
118
, 223504
(2021
).76.
Y.
Cao
and D.
Jena
, Appl. Phys. Lett.
90
, 182112
(2007
).© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.
