BeO和In2O3中缺陷与掺杂的第一性原理研究

摘要

互补金属-氧化物-半导体晶体管的尺寸缩减使得用高介电常数的氧化物来取代SiO2成为了目前的发展趋势，这主要是因为在现有的工艺上SiO2的厚度已经减小到了极限，导致电子可以直接通过隧穿效应形成漏电流，降低了晶体管的稳定性。最近J.H.Yum等人使用BeO作为栅极电介质制造出了新型的场效应晶体管，表现出了良好的性质。通常在高介电常数氧化物中会存在高密度的缺陷，这些缺陷往往会导致绝缘体中的电荷俘获，晶体管沟道中载流子的库伦散射，阈值电压偏移等问题。我们采用第一性原理的研究方法，系统地研究了BeO中的各种本征点缺陷。我们发现，在富氧的情况下，Be的空位的浓度远远高于其他缺陷。而在富铍的情况下O空位和Be空位分别在费米能级的上下部分成为最主要的缺陷。BeO的点缺陷的电荷转变能级均不在Si的能隙范围内，因此不会造成电子或空穴的俘获，也就是说不会引起费米能级钉扎效应。
　　 透明导电氧化物由于同时具有高的可见光透明度和高的电导率引起了人们的极大兴趣。它们可以在发光二极管，太阳能电池和平板显示器上用作透明电极。In2O3和大部分透明半导体氧化物一样，在没有故意掺杂的情况下都表现出高的n型导电性。更好地控制In2O3的n型导电性能够增强它的应用性能。但如果我们能够制造p型In2O3，将为半导体器件的应用开创一条新的途径。受主掺杂承担着获得p型In2O3或者半绝缘材料的希望，两个分别可以用于制作p-n节和绝缘涂层。最近的实验研究了Mg对In2O3的掺杂，结果只获得了半绝缘性的薄膜，却无法获得p型导电性。我们使用第一性原理的方法研究了In2O3中的氧空位，H杂质和Mg掺杂之间的互相补偿。Mg替位掺杂的溶解度和施主Vo和Hi对受主Mg的补偿行为都不能成为Mg作为p型杂质的障碍。然而，由于Mg替位的转变能级太深，也就是离化能太大，替位的Mg并不能在材料中产生大量的空穴，也就不能制造出很好的p型材料。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高k介质的发展简介和BeO作为新的高k介质或界面钝化层的实验进展

1．1．1 缩放比例的硅基金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFETs)

1．1．2 BeO作为新的高k介质或界面钝化层的实验进展

1．2 透明导电材料和In2O3的P型掺杂研究

1．2．1 透明导电材料

1．2．2 In2O3的P型掺杂研究

1．3 本章小结

第2章 密度泛函理论

2．1 多体问题

2．2 早期解多体问题的尝试

2．2．1 自由电子模型

2．2．2 Hartree和Hartree-Fock方法

2．3 密度泛函理论的基础

2．3．1 Thomas-Fermi-Dirac近似：一个泛函的例子

2．3．2 Hohenberg-Kohn定理1

2．3．3 Hohenberg-Kohn定理2

2．4 Kohn-Sham拟设

2．4．1 Kohn-Sham方程

2．5 交换与关联泛函

2．5．1 交换-关联空穴

2．5．2 交换-关联势Vxc

2．5．3 交换和关联的泛函

2．6 本章小结

第3章 BeO本征点缺陷的第一性原理研究

3．1 前言

3．2 计算方法

3．3 BeO的点性质

3．4 形成能和缺陷浓度

3．5 缺陷转变能级和固定电荷

3．6 氧空位

3．7 本章小结

第4章 In2O3的Mg受主掺杂：第一性原理研究

4．1 前言

4．2 计算方法

4．3 In2O3的体性质

4．4 形成能

4．5 转变能级

4．6 本章小结

结论

参考文献

致谢