Ab-initio-Berechnung elektrischer Eigenschaften von Dielektrika für neuartige Gate-Isolator-Schichtsyteme zukünftiger MOSFETs

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Anwendbarkeit von ab initio Methoden zur Berechnung von industriell relevanten Materialsystemen. Im Speziellen werden dabei Dielektrika für neuartige Gate-Isolator-Schichtsysteme zukünftiger MOSFETs betrachtet. Ziel der Arbeit ist dabei zunächst eine Evaluierung der ab initio Methoden am bekannten Gate-Material Siliziumoxinitrid. Die so hinsichtlich ihrer Applizierbarkeit untersuchten Methodenwerden dann auf neuartige Gate-Isolatoren wieTitan-, Hafnium-und Gadoliniumoxid angewandt. Ziel der Arbeit ist es, durch Vergleich der Ergebnisse der ab initio Methoden mit experimentellen Daten einen zuverlässigen und belastbaren methodischen Rahmen für die Vorhersage von Materialeigenschaften und damit eine virtuelle Materialauswahl zu entwickeln. Besonderes Augenmerk wird dabei auf industriell relevante Materialien gelegt. Solche Materialien zeichnen sich unter anderem durch komplexe chemische Zusammensetzung aus, weshalb für deren Beschreibung relativ große Einheitszellen benötigt werden. Nach einer kurzen theoretischen Einführung in die genutzen Methoden und deren Grundlagen folgt deren Anwendung. Betrachtet werden insbesondere die elektrischen (z. B. Zustandsdichte und Bandlücke) und dielektrischen Eigenschaften z. B. der verschiedenen Materialien als Volumenmaterial sowohl für kristalline als auch amorphe Phasen und deren Bandverläufe an den Grenzfächen innerhalb des Schichtsystems. Am Ende der jeweiligen Kapitel folgt eine Zusammenfassung der physikalischen Ergebnisse und eine Beurteilung über die Applizierbarkeit der ab initio Methoden auf die betrachteten Materialien. The present work investigates the applicability of ab initio methods on material systems of industrial relevance. The focus lies on dielectric materials for new typs of gate-insulatorstacks of future MOSFETs. At frst an evaluation of diferent ab initio methods has been done to prove their potential for the well known silicon oxynitride system. In a second step the most promising methods have been applied on new types of possible future gate insulators like titanium-, hafnium- or gadolinium oxide. The aim of this work is to establish a reliable framework for virtual material screening by comparison of ab initio results and experimental data -in particular for material systems with industrial impact. Such materials distinguish theirselves by complex chemical composition and resulting in the need of big unit cells for their desription. After a short theoretical introduction in the basics of the used methods, their application regarding the electric (e. g. density of states and band gap) and dielectric properties of bulk materials for cristalline and amorphous phases and band structures at interfaces for diferent stacks follows. At the end of each chapter a summery of the main physical results and valuation of the applicability of the investigated ab initio method for the studied material system is given.