高速電子器件中Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體與High-κ氧化物界面的模擬計(jì)算研究.pdf

1、要使集成電路集成度和性能繼續(xù)沿著摩爾定律高速發(fā)展，MOSFET等電子晶體管的尺寸需要繼續(xù)不斷縮小，迫切需要引入高遷移率半導(dǎo)體溝道材料和具有更高介電常數(shù)的柵極氧化物層來取代傳統(tǒng)的Si基材料。因此，Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體與HfO2界面作為整個(gè)高速電子器件中的核心部分，在高速集成電子器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，然而Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體和HfO2之間較差的界面質(zhì)量卻阻礙了其在場(chǎng)效應(yīng)管中的應(yīng)用。因此對(duì)其界面結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和界面鈍化的研究是目前凝聚態(tài)物理學(xué)、材料

2、科學(xué)和微電子學(xué)等領(lǐng)域的前沿研究方向之一。
　　本論文采用第一性原理計(jì)算方法，對(duì)InxGa1-xAs/HfO2界面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及鈍化方案等進(jìn)行了研究。主要包括研究界面成鍵情況及其電子結(jié)構(gòu)，探索了可能的表面態(tài)成因，并嘗試尋找可能的鈍化方案去除表面態(tài)引起的費(fèi)米釘扎問題。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)研究了三種不同組分(x=0，0.5，1)的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料InxGa1-xAs和HfO2的界面模型。通過對(duì)模型GaAs/H

3、fO2、In0.5Ga0.5As/HfO2和InAs/HfO2界面處化學(xué)鍵、原子帶電情況、形成能、能帶臺(tái)階和界面態(tài)等諸多因素的分析，探索界面穩(wěn)定性、界面態(tài)等與界面結(jié)構(gòu)的關(guān)系。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GaAs/HfO2模型界面處界面態(tài)比較明顯，InAs/HfO2模型界面處界面態(tài)最少。三個(gè)模型界面處界面態(tài)的形成主要?dú)w因于界面處As-As二聚體和In、Ga和As等原子懸掛鍵的出現(xiàn)，與界面Hf原子關(guān)系不太大。
　　(2)研究了Al和In元素?fù)诫s（替

4、代和填隙）鈍化對(duì)HfO2/GaAs界面性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Al(In)摻雜鈍化都會(huì)不同程度抑制GaAs/HfO2模型的禁帶中VBM附近的界面態(tài)，但對(duì)CBM附近界面態(tài)影響有限。且隨著Al(In)摻入數(shù)目的增加，界面形成能降低，能帶臺(tái)階也有所變化。不同的是，在相同數(shù)目的Al(In)替代GaAs/HfO2界面處Ga原子情況下，In原子鈍化效果更佳。
　　(3)研究了引入中間鈍化層InP對(duì)界面性質(zhì)的影響。具體對(duì)六種不同的In0.5Ga0

5、.5As/InP界面模型的能帶臺(tái)階和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過計(jì)算界面結(jié)合能發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于以P-As、In-In(Ga)和In-As等化學(xué)鍵結(jié)合的界面，界面處以P-In(Ga)化學(xué)鍵結(jié)合的界面模型最穩(wěn)定。In0.5Ga0.5As和InP之間的VBO和CBO分別為0.42eV和0.19eV，能夠很好地將反型載流子束縛在溝道材料In0.5Ga0.5As中。即使在界面處引入P-As反位點(diǎn)缺陷后，VBO僅減小了0.1eV，相應(yīng)的CBO增加了0.1e