Metal oxide semiconductor capacitors that incorporate tantalum pentoxide (Ta2O5) thin films as dielectric were fabricated via the atomic layer deposition (ALD) technique and characterized through TEM, XPS, C–V, and I–V measurements. TEM analysis revealed the amorphous phase of Ta2O5 films and the existence of an ultrathin SiOx layer in the Ta2O5/p-Si interface, also evidenced by XPS spectra. XPS analysis verified the stoichiometry of the ALD-deposited Ta2O5 films. Furthermore, XPS results indicate values of 2.5 and 0.7 eV for the conduction and valence band offsets of the Ta2O5/p-Si interface, respectively. I–V measurements, for positive and negative applied bias voltages, reveal that the conduction is governed by Ohmic, trap controlled space charge limited, and Schottky mechanisms depending on the applied voltage and temperature region. Through the analysis of Schottky emission data, the conduction band offset of Ta2O5/p-Si (φΒ) is calculated to be 0.6 eV, while the valence band offset is 2.6 eV, in very good agreement with the XPS results. The energy band diagram of Ta2O5/p-Si is constructed.

1.
G.
Wilk
,
M. R.
Wallace
, and
M. J.
Anthony
,
J. Appl. Phys.
89
,
5243
(
2001
).
2.
J. H.
Choi
,
Y.
Mao
, and
J. P.
Chang
,
Mater. Sci. Eng. R
72
,
97
(
2011
).
3.
Y. Sh
. Lai
,
K.-J.
Chen
, and
J. S.
Chen
,
J. Appl. Phys.
91
,
6428
(
2002
).
4.
H. S.
Lo
,
D. A.
Buchanan
,
Y.
Taur
, and
W.
Wang
,
IEEE Electron Device Lett.
18
,
209
(
1997
).
5.
A. I.
Kingon
,
J. P.
Maria
, and
S. K.
Streiffer
,
Nature
406
,
1032
(
2000
).
6.
M. A.
Botzakaki
 et al.,
ECS Solid State Lett.
1
,
32
(
2012
).
7.
M. A.
Botzakaki
,
A. P.
Kerasidou
,
N.
Xanthopoulos
,
D.
Skarlatos
,
S.
Kennou
,
S.
Ladas
,
S. N.
Georga
, and
Ch. A.
Krontiras
,
Phys. Status Solidi C
10
,
137
(
2012
).
8.
A. P.
Kerasidou
,
M. A.
Botzakaki
,
N.
Xanthopoulos
,
S.
Kennou
,
S.
Ladas
,
S. N.
Georga
, and
Ch. A.
Krontiras
,
J. Vac. Sci. Technol. A
31
,
01A126
(
2013
).
9.
M. A.
Botzakaki
,
N.
Xanthopoulos
,
E.
Makarona
,
C.
Tsamis
,
S.
Kennou
,
S.
Ladas
,
S. N.
Georga
, and
Ch. A.
Krontiras
,
Microelectron. Eng.
112
,
208
(
2013
).
10.
M. A.
Botzakaki
, “
Growth and characterization of high-k dielectrics on p-Ge MOS devices
,”
Ph.D. thesis
(
University of Patras
,
2015
).
11.
P.
Svarnas
,
M. A.
Botzakaki
,
G.
Skoulatakis
,
S.
Kennou
,
S.
Ladas
,
C.
Tsamis
,
S. N.
Georga
, and
Ch. A.
Krontiras
,
Thin Solid Films
599
,
49
(
2016
).
12.
M. A.
Botzakaki
,
G.
Skoulatakis
,
S.
Kennou
,
S.
Ladas
,
C.
Tsamis
,
S. N.
Georga
, and
C. A.
Krontiras
,
J. Phys. D Appl. Phys.
49
,
3851041
(
2016
).
13.
M. A.
Botzakaki
 et al.,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
01A120
(
2018
).
14.
M. J.
Rafí
,
M.
Zabala
,
O.
Beldarrain
, and
F.
Campabadal
,
J. Electrochem. Soc.
158
,
G108
(
2011
).
15.
Z.
Tan
,
L.
Zhao
,
J.
Wang
, and
J.
Xu
,
ECS Solid State Lett.
2
,
P61
(
2013
).
16.
R.
Zhang
,
P.-C.
Huang
,
J.-C.
Lin
,
N.
Taoka
,
M.
Takenaka
, and
S.
Takagi
,
IEEE Trans. Electron Devices
60
,
927
(
2013
).
17.
I.
Leontis
,
M. A.
Botzakaki
,
S. N.
Georga
, and
A. G.
Nassiopoulou
,
J. Appl. Phys.
119
,
244508
(
2016
).
18.
Sh.
Cheng
,
L.
Sang
,
M.
Liao
,
J.
Liu
,
M.
Imura
,
H.
Li
, and
Y.
Koide
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
232907
(
2012
).
19.
S.
Uthanna
,
S. V.
Jagadeesh Chandra
,
G.
Mohan Rao
, and
J. F.
Pierson
,
IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng.
8
,
012025
(
2010
).
20.
C. J.
Chiu
,
S. P.
Chang
, and
S. J.
Chang
,
IEEE Electron Device Lett.
31
,
1245
(
2010
).
21.
J.
Robertson
,
Rep. Prog. Phys.
69
,
327
(
2006
).
22.
J.
Robertson
and
R. M.
Wallace
,
Mater. Sci. Eng. R
88
,
1
(
2015
).
23.
A.
Siemon
 et al.,
Adv. Funct. Mater.
25
,
6414
(
2015
).
24.
T.
Breuer
,
A.
Siemon
,
E.
Linn
,
S.
Menzel
,
R.
Waser
, and
V.
Rana
,
Adv. Electron. Mater.
1
,
1500138
(
2015
).
25.
T.
Breuer
,
A.
Siemon
,
E.
Linn
,
S.
Menzel
,
R.
Waser
, and
V.
Rana
,
Nanotechnology
26
,
415202
(
2015
).
26.
O.
Kavehei
,
E.
Linn
,
L.
Nielen
,
S.
Tappertzhofen
,
S.
Skafidas
,
I.
Valov
, and
R.
Waser
,
Nanoscale
5
,
5119
(
2013
).
27.
L.
Nielen
,
A.
Siemon
,
S.
Tappertzhofen
,
R.
Waser
,
S.
Menzel
, and
E.
Linn
,
IEEE Trans. Emerg. Sel. Topics Circuits Syst.
5
,
153
(
2015
).
28.
J.
Lee
,
W. D.
Lu
, and
E.
Kioupakis
,
Nanoscale
9
,
1120
(
2017
).
29.
R. M.
Fleming
 et al.,
J. Appl. Phys.
88
,
850
(
2000
).
30.
W. S.
Lau
,
L. L.
Leong
,
T.
Han
, and
N. P.
Sandler
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2835
(
2003
).
31.
V.
Mikhaelashvili
,
Y.
Betzer
,
I.
Prudnikov
,
M.
Orenstein
,
D.
Ritter
, and
G.
Eisenstein
,
J. Appl. Phys.
84
,
6747
(
1992
).
32.
W. S.
Lau
,
L.
Zhong
,
Allen
Lee
,
C. H.
See
,
Taejoon
Han
,
N. P.
Sandler
, and
T. C.
Chong
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
500
(
1997
).
33.
G.-S.
Park
 et al.,
Nat. Commun.
4
,
2382
(
2013
).
34.
F.
Miao
 et al.,
Adv. Mater.
23
,
5633
(
2011
).
35.
C. H.
Jia
,
Y. H.
Chen
,
X. L.
Zhou
,
A. L.
Yang
,
G. L.
Zheng
,
X. L.
Liu
,
S. Y.
Yang
, and
Z. G.
Wang
,
J. Phys. D Appl. Phys.
42
,
095305
(
2010
).
36.
D.
Spassov
,
E.
Atanassova
, and
D.
Virovska
,
Appl. Phys. A
82
,
55
(
2006
).
37.
D.
Tahir
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
94
,
212902
(
2009
).
38.
S.
Heo
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
107
,
182101
(
2015
).
39.
E.
Bersch
,
S.
Rangan
, and
R. A.
Bartynski
,
Phys. Rev. B
78
,
085114
(
2008
).
40.
B.
Yao
,
Y.
Zhu
,
Z.
Fang
,
Y.
Tan
,
S.
Liu
,
J.
Yuan
, and
Q.
Qiu
,
Thin Solid Films
611
,
52
(
2016
).
41.
R.
Mahapatra
,
A. K.
Chakraborty
,
A. B.
Horsfall
,
N. G.
Wright
,
G.
Beamson
, and
K. S.
Coleman
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
042904
(
2008
).
42.
V.
Afanas’ev
,
M.
Houssa
,
A.
Stesmans
,
G.
Adriaenssens
, and
M.
Heyns
,
Microelectron. Eng.
59
,
335
(
2001
).
43.
Y.
Jia
,
K.
Zeng
,
J.
Wallace
,
J. A.
Gardella
, and
U.
Singisetti
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
102107
(
2015
).
44.
M.
Abbate
 et al.,
Phys. Rev. B
46
,
4511
(
1992
).
45.
P.
Han
,
T.-Ch
Lai
,
M.
Wang
,
X.-R.
Zhao
,
Y.-Q.
Cao
,
D.
Wu
, and
A.-D.
Li
,
Appl. Surf. Sci.
467
,
423
(
2019
).
46.
J.
Li
,
J.
Wu
,
J.
Liu
, and
J.
Sun
,
Nanoscale Res. Lett.
14
,
75
(
2019
).
47.
R.
Simpson
,
R. G.
White
,
J. F.
Watts
, and
M. A.
Baker
,
Appl. Surf. Sci.
405
,
79
(
2017
).
48.
C. C.
Negrila
,
C.
Cotirlan
,
F.
Ungureanu
,
C.
Logofatu
,
R. V.
Ghita
, and
M. F.
Lazarescu
,
J. Optoelectron. Adv. Mater.
10
,
1379
(
2008
).
49.
E. A.
Kraut
,
R. W.
Grant
,
J. R.
Waldrop
, and
S. P.
Kowalczyk
,
Phys. Rev. B
28
,
1965
(
1983
).
50.
V.
Afanas’ev
,
Adv. Condens. Matter Phys.
2014
,
301302
.
51.
N.
Alimardani
,
S. W.
King
,
B. L.
French
,
Ch.
Tan
,
B. P.
Lampert
, and
J. F.
Conley
, Jr.
,
J. Appl. Phys.
116
,
024508
(
2014
).
52.
M.
Vos
,
S. W.
King
, and
B. L.
French
,
J. Electron Spectrosc.
212
,
74
(
2016
).
53.
R. C.
Frunză
,
B.
Kmet
,
M.
Jankovec
,
M.
Topič
, and
B.
Malič
,
Mater. Res. Bull.
50
,
323
(
2014
).
54.
J.
Robertson
,
Eur. Phys. J. Appl. Phys.
28
,
265
(
2004
).
55.
Y.
Wan
,
J.
Bullock
, and
A.
Cuevas
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
201601
(
2015
).
56.
S. M.
Sze
,
Physics of Semiconductor Devices
(
Wiley
,
New York
,
1981
), p.
402
.
57.
V.
Martinez
,
C.
Besset
,
F.
Monsieur
,
L.
Monts
, and
G.
Ghibaudo
,
Microelectron. Eng.
84
,
2310
(
2007
).
58.
B. T.
Phan
,
T.
Choi
, and
J.
Lee
,
Integr. Ferroelectr.
96
,
146
(
2008
).
59.
A. S.
Sarkar
and
S. K.
Pal
,
J. Phys. D Appl. Phys.
48
,
445501
(
2015
).
60.
R.
Ramprasad
,
J. Appl. Phys.
94
,
5609
(
2003
).
61.
H.
Sawada
and
K.
Kawakami
,
J. Appl. Phys.
86
,
956
(
1999
).
62.
E.
Deloffre
,
L.
Montès
,
G.
Ghibaudo
,
S.
Bruyère
,
S.
Blonkowski
,
S.
Bécu
,
M.
Gros-Jean
, and
S.
Crémer
,
Microelectron. Reliab.
45
,
925
(
2005
).
63.
M.-T.
Wang
,
Sh.-Y
Deng
,
T.-H.
Wang
,
B. Y.-Y.
Cheng
, and
J. Y.-M.
Lee
,
J. Electrochem. Soc.
152
,
G542
(
2005
).
64.
Z.
Çaldıran
,
M.
Şinoforoğlu
,
Ö
Metin
,
S.
Aydogan
, and
K.
Meral
,
J. Alloys Compd.
631
,
261
(
2015
).
65.
S.
Ezhilvalavan
and
T.-Y.
Tseng
,
J. Appl. Phys.
83
,
4797
(
1998
).
You do not currently have access to this content.