Germanium Renaissance
      
           
   

Germanium FET is one of my current interests, since its mobility is muchhigher than silicon. 

But, intensive research is very rare, since the reliable gate dielectric film is difficult to form. 

We are tackling this challenge in combination with high-k film deposition. 

  
   
Ge-MOSFET
   
 

The hole mobility of Ge is much higher than Si and III-Vs. Therefore, Ge,

acts as p-channel material, shows great potential for future pMOSFET as long as the

Ge/high-k interface is properly controlled.
GeO2/Ge interface
   
 

Ge is a promising candidate  to  replace  Si  for  beyond  scaling  devices  because  of

 its narrow band gap, high mobility and low dopant activation temperatures.  However, 

unlike Si,  it  is  difficult  to  grow  an  insulating oxide  comparable  to  SiO2/Si  on  Ge. 

Therefore,  a lack  of  thermodynamic  stability  at the high-k/Ge interface hampers the

 development of Ge metal-oxide-semiconductor (MOS) devices due to the desorption

 of GeO. The typical GeO2/Ge  system  has  been  extensively  investigated  since  the

 native oxide on Ge is thermodynamically unstable.  However,  note  that  below 700ºC  

GeO desorption is not derived  from  the  decomposition  of  GeO itself  but  from  the 

reaction with  Ge substrate. For GeO2/Ge, GeO desorbs at  around 550oC whereas  no 

GeO desorption can be observed from the GeO2/SiO2/Si structure. The desorption of 

GeO  from high-k/ Ge system  deteriorates  the  surface  and  interface  quality, which

 leads to the degradation of the electrical characteristics. 

Therefore, suppressing the GeO desorption is essentially important to improve the 

interface quality so as to realize the Ge-based devices for future application.To crack

 the  hard  nut  of  this issue,  various  methods  have  been  used for Ge  passivation

such as ozone treatment, high-pressure oxidation,oxides capping, surface nitridation, 

rare earth introduction, and atomic oxygen radical treatment.

 

At the present stage, by applying the above mentioned techniques, Ge-pMOSFET and 

Ge-nMOSFET  with  remarkable  electric  characteristics  have been reported in which 

the GeO desorption could be considerably suppressed and the interface trap density

 (Dit) has been reduced down  to quite low  values (mid 1E10~1E11cm-2/eV) . Although 

currently  some  successes  have  been  achieved  through  process optimization and

 technical evolution, much effort is still needed for its industrial application. To realize

 further interface control of Ge-based devices, the reactions among high-k/Ge stacks

need to be systematically understood.  

 

Refs: K. Kita et al, JJAP, (2008);S.K. Wang et al, SISC (2009);

S. Wang et al, SSDM(2009); K. Kita et al, IEDM (2009);