高κ钙钛矿氧化物栅介质元素半导体MOSFETs器件理论研究

摘要

探寻元素半导体金属氧化物半导体效应管(MOSFETs)匹配的新型高介电常数(高κ)栅介质材料是电子元器件微型化的发展需求。随着元素半导体MOSFETs器件特征尺寸的不断缩小，绝缘栅介质层也按照等比例缩小的原则变得越来越薄，由此而产生的栅漏电流增大和可靠性降低等问题变得愈加严重。高κ钙钛矿氧化物栅介质材料可以在保持足够的物理厚度的同时有效降低栅漏电流，满足元素半导体MOSFETs器件的微小型化需求。本文将利用密度泛函理论探索元素半导体/钙钛矿氧化物异质界面微结构与物理性质，为元素半导体光电子器件的制备和设计提供理论依据。
　　第一，高κ钙钛矿氧化物替代传统的 SiO2栅介质材料可以在保持足够的物理厚度的同时有效降低Si基MOSFETs器件栅漏电流。LaAlO3是未来超大规模集成装置高κ栅介质潜在候选。我们用第一性原理计算研究了Si/LaAlO3(001)异质界面。研究了Si原子最在LaAlO3(001)表面的初始吸附情况，发现在高覆盖度情况下，硅原子更倾向吸附在氧原子顶上方的位置。表面相图显示在 LaO终端面Si原子可能取代O原子。分析了Si/LaAlO3(001)异质界面的带阶，电子态密度和电荷转移情况。由于Si/AlO2异质界面的导带带偏和价带带偏都大于1 eV，所以此界面适合金属氧化物半导体器件设计。
　　第二，锗(Ge)κ钙钛矿氧化物异质结在新一代低电压和低漏电流的金属氧化物半导体场效应晶体管中具有潜在应用。我们研究了 Ge吸附在理想和缺陷SrTiO3(001)表面的原子结构和电子性质。调查了Ge在SrTiO3(001)表面高对称吸附位的初始生长和原子结构。由于实验上SrO和TiO2终端面可共存于钙钛矿氧化物钛酸锶陶瓷表面，因此我们都做了分析。通过计算获得Ge在干净SrO和TiO2终端面生长的稳定位，并计算了电子性质。同时考虑了Ge在缺陷表面生长情况，检查了本征点缺陷巨热力势并做出了表面相图，比较分析缺陷表面对应的生长条件。在此基础之上我们确定了稳定的界面匹配异质结构排列，比较分析了理想和缺陷条件下异质结构的电子性质。界面 Ge替代 Ti缺陷在价带顶将产生新的电子态。这些研究结果显示了Ge在未来的互补金属氧化物半导体电子器件中界面扩散影响。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 选题背景（Research Background）

1.2 理论基础（Theory）

1.3 主要研究工作（Main Research Work）

1.4 论文内容安排（Content Arrangement of Thesis）

2 Si和LaAlO3异质结的稳定性和带阶

2.1前言（Introduction）

2.2 方法（Methodology）

2.3 结果与讨论（Results and Discussion）

2.4 小结（Summary）

3 Ge/SrTiO3(001)异质结构和电子性质

3.1 前言(Introduction)

3.2计算方法(Methodology)

3.3 干净和缺陷 SrTiO3(001)表面(The Perfect and Defective SrTiO3(001) Surface)

3.4 Ge/SrTiO3异质界面(Ge/STO Interfaces)

3.5小结(Summary)

4结论

参考文献

作者简历

学位论文数据集