Titanium dioxide (TiO2, with the rutile structure) was grown on (0001) oriented GaN and (0001) Al0.33Ga0.67NGaN heterostructure field effect transistor (HFET) structures by molecular beam epitaxy. X-ray diffraction showed (100)TiO2(0001)GaN(AlGaN) and [001]TiO2112¯0GaN(AlGaN) with three rotational variants of the TiO2. Transmission electron microscopy of 50nm thick TiO2 films on GaN and AlGaNGaN showed sharp interfaces with no intermixing or reaction between the oxide and semiconductor. The TiO2 exhibited a columnar film microstructure with a lateral domain size of a few nanometers parallel to (101)TiO2 and a few tens of nanometers parallel to (101¯)TiO2. Metal–oxide HFETs with 50nm thick TiO2 dielectric layers under the gate were processed and compared to HFETs without the TiO2 dielectric layer. The transconductance of the HFETs with TiO2 was 140mSmm, approximately 20% less than HFETs with no dielecric, and the pinchoff voltages of the two stuctures were comparable. The dielectric constant of the TiO2 was 70. The gate leakage current of the HFETs with TiO2, 4×106mAmm at 50V, was approximately 4 orders of magnitude lower than that of the HFETs with no dielectric. Band offset measurements were performed using x-ray photoelectron spectroscopy, and the valence band of the rutile TiO2 and the GaN nearly line up.

1.
H. C.
Casey
, Jr.
,
G. G.
Fountain
,
R. G.
Alley
,
B. P.
Keller
, and
S. P.
DenBaars
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
1850
(
1996
).
2.
M.
Sawada
,
T.
Sawada
,
Y.
Yamagata
,
K.
Imai
,
H.
Kimura
,
M.
Yoshino
,
K.
Iizuka
, and
H.
Tomozawa
,
J. Cryst. Growth
189–190
,
706
(
1998
).
3.
S.
Arulkumaran
,
T.
Egawa
,
H.
Ishikawa
,
T.
Jimbo
, and
M.
Umeno
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
809
(
1998
).
4.
M. A.
Khan
,
X.
Hu
,
G.
Sumin
,
A.
Lunev
,
J.
Yang
,
R.
Gaska
, and
M. S.
Shur
,
IEEE Electron Device Lett.
21
,
63
(
2000
).
5.
M. A.
Khan
,
X.
Hu
,
A.
Tarakji
,
G.
Simin
,
J.
Yang
,
R.
Gaska
, and
M. S.
Shur
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
1339
(
2000
).
6.
G.
Simin
,
A.
Tarakji
,
X.
Hu
,
A.
Koudymov
,
J.
Yang
,
M. A.
Khan
,
M. S.
Shur
, and
R.
Gaska
,
Phys. Status Solidi A
188
,
219
(
2001
).
7.
P.
Chen
,
W.
Wang
,
S. J.
Chua
, and
Y. D.
Zheng
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
3530
(
2001
).
8.
N.-Q.
Zhang
,
B.
Moran
,
S. P.
DenBaars
,
U. K.
Mishra
,
X. W.
Wang
, and
T. P.
Ma
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2001
,
25
5
1
4
(
2001
).
9.
S. C.
Binari
,
K.
Doverspike
,
G.
Kelner
,
H. B.
Dietrich
, and
A. E.
Wickenden
,
Solid-State Electron.
41
,
177
(
1997
).
10.
E.
Alekseev
,
A.
Eisenbach
, and
D.
Pavlidis
,
Electron. Lett.
35
,
2145
(
1999
).
11.
F.
Ren
,
C. R.
Abernathy
,
J. D.
Mackenzie
,
B. P.
Gila
,
S. J.
Pearton
,
M.
Hong
,
M. A.
Marcus
,
M. J.
Schurman
,
A. G.
Baca
, and
R. J.
Shul
,
Solid-State Electron.
42
,
2177
(
1998
).
12.
T.
Hashizume
,
E.
Alekseev
,
D.
Pavlidis
,
K. S.
Boutros
, and
J.
Redwing
,
J. Appl. Phys.
88
,
1983
(
2000
).
13.
F.
Ren
,
M.
Hong
,
S. N. G.
Chu
,
M. A.
Marcus
,
M. J.
Schuman
,
A.
Baca
,
S. J.
Pearton
, and
C. R.
Abernathy
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
3893
(
1998
).
14.
J. W.
Johnson
,
B.
Luo
,
F.
Ren
,
B. P.
Gila
,
W.
Krishnamoorthy
,
C. R.
Abernathy
,
S. J.
Pearton
,
J. I.
Chyi
,
T. E.
Nee
,
C. M.
Lee
, and
C. C.
Chuo
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3230
(
2000
).
15.
B. P.
Gila
,
J. W.
Johnson
,
R.
Mehandru
,
B.
Luo
,
A. H.
Onstine
,
K. K.
Allums
,
V.
Krishnamoorthy
,
S.
Bates
,
C. R.
Abernathy
,
F.
Ren
, and
S. J.
Pearton
,
Phys. Status Solidi A
188
,
239
(
2001
).
16.
L. W.
Tu
,
W. C.
Kuo
,
K. H.
Lee
,
P. H.
Tsao
,
C. M.
Lai
,
A. K.
Chu
, and
J. K.
Sheu
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3788
(
2000
).
17.
H.
Kim
,
S.-J.
Park
, and
H.
Hwang
,
J. Vac. Sci. Technol. B
19
,
579
(
2001
).
18.
B.
Gaffey
,
L. J.
Guido
,
X. W.
Wang
, and
T. P.
Ma
,
IEEE Trans. Electron Devices
48
,
458
(
2001
).
19.
S. A.
Campbell
,
H.-S.
Kim
,
D. C.
Gilmer
,
B.
He
,
T.
Ma
, and
W. L.
Gladfelter
,
IBM J. Res. Dev.
43
,
383
(
1999
).
20.
Z. J.
Luo
,
X.
Guo
,
T. P.
Ma
, and
T.
Tamagawa
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
2803
(
2001
).
21.
K.
Vydianathan
,
G.
Nuesca
,
B.
Peterson
,
E. T.
Eisenbraun
,
A. E.
Kaloyeros
,
J. J.
Sullivan
, and
B.
Han
,
J. Mater. Res.
16
,
1838
(
2001
).
22.
Y. H.
Lee
,
K. K.
Chan
, and
M. J.
Brady
,
J. Vac. Sci. Technol. A
13
,
596
(
1995
).
23.
S.
Chen
 et al.,
J. Vac. Sci. Technol. A
11
,
2419
(
1993
).
24.
Y.
Gao
,
S.
Thevuthasan
,
D. E.
McCready
, and
M.
Engelhard
,
J. Cryst. Growth
212
,
178
(
1990
).
25.
H.
Fukada
,
S.
Namioka
,
M.
Miura
,
Y.
Ishikawa
,
M.
Yoshino
, and
S.
Nomura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
38
,
6034
(
1999
).
26.
X. H.
Xu
,
M.
Wang
,
Y.
Hou
,
S. R.
Zhao
,
H.
Wang
,
D.
Wang
, and
S. X.
Shang
,
Cryst. Res. Technol.
37
,
431
(
2002
).
27.
E. K.
Kim
,
J. H.
Son
,
S.-Ki
Min
,
Y. K.
Han
, and
S. S.
Yom
,
J. Cryst. Growth
170
,
803
(
1997
).
28.
M. E.
Tobar
,
J.
Krupka
,
E. N.
Ivanov
, and
R. A.
Woode
,
J. Appl. Phys.
83
,
1604
(
1998
).
29.
L.
Shen
 et al.,
IEEE Electron Device Lett.
22
,
457
(
2001
).
30.
S.
Heikman
,
S.
Keller
,
S. P.
DenBaars
, and
U. K.
Mishra
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
1
(
2002
).
31.
C. D.
Theis
and
D. G.
Schlom
,
J. Vac. Sci. Technol. A
14
,
2677
(
1996
).
32.
J.
Lettieri
,
J.
Rodriguez-Contreras
,
V.
Vaithyanathan
,
L. F.
Edge
, and
D. G.
Schlom
(unpublished).
33.
E. A.
Kraut
,
R. W.
Grant
,
J. R.
Waldrop
, and
S. P.
Kawalczyk
,
Phys. Rev. Lett.
44
,
1620
(
1980
).
34.
D. G.
Schlom
and
J. H.
Haeni
,
MRS Bull.
27
,
198
(
2002
).
35.
H.
Tang
,
K.
Prasad
,
R.
Sanhinès
,
P. E.
Schmid
, and
F.
Lévy
,
J. Appl. Phys.
75
,
2042
(
1994
).
36.
J. R.
Waldrop
,
R. W.
Grant
,
S. P.
Kowalczyk
, and
E. A.
Kraut
,
J. Vac. Sci. Technol. A
3
,
835
(
1985
).
37.
A. C.
Tuan
,
T. C.
Kasepar
,
T.
Droubay
,
J. W.
Rogers
, Jr.
, and
S. A.
Chambers
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
3734
(
2003
).
38.
J. R.
Waldrop
and
R. W.
Grant
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
2879
(
1996
).
39.
C. I.
Wu
and
A.
Kahn
,
J. Vac. Sci. Technol. B
16
,
2218
(
1998
).
40.
G.
Martin
,
S.
Strite
,
A.
Botchkarev
,
A.
Agarwal
,
A.
Rockett
,
H.
Morkoc
,
W. R. L.
Lambrecht
, and
B.
Segall
,
Appl. Phys. Lett.
65
,
610
(
1994
).
41.
M.
Kočan
,
A.
Rizzi
,
H.
Lüth
,
S.
Keller
, and
U. K.
Mishra
,
Phys. Status Solidi B
234
,
773
(
2002
).
42.
S.
Heikman
,
S.
Keller
,
Y.
Wu
,
J. S.
Speck
,
S. P.
DenBaars
, and
U. K.
Mishra
,
J. Appl. Phys.
93
,
10114
(
2003
).
You do not currently have access to this content.