硅基零失配高k栅介质纳米超薄膜的基础研究

With the further downscaling of the integrated circuits, conventional SiO2 can not meet the gate dielectric demands of the transistors due to the well-known leakage current problem. In our previous studies, we found that individual Gd2O3 or Nd2O3 film grown on the Si substrate show opposite characteristics in lattice mismatch with Si. Therefore, we plan to to create a new composite crystal (i.e.(GdxNd1-x)2O3) with less strained structure and feasibly perfect match with Si. The growth law, crystal structure and electrical properties of the new combined system will be investigated through experimental analysis and first - principles calculation. Furthermore, the main concerns in our project are as follow: i) the growth theories and their influencing factors ii) structures including inner structures, interface structures, stress and strain, crystal defects, etc. iii) electrical properties of the new combined crystal. Our project may provide some new insights to exploring the next-generation MOSFET.

利用高k薄膜替代二氧化硅作为栅介质，可以破解由于集成电路进一步小型化所带来的漏电流这一重大瓶颈问题。本课题拟通过晶格复合的思路，利用氧化钆（Gd2O3）和氧化钕（Nd2O3）这两种单体,通过晶格互补，合成一种全新的(GdxNd1-x)2O3复合晶体，尝试得到零失配零应变的纳米超薄膜。通过详细、系统的实验分析和第一性原理理论计算，研究该复合晶体的晶体结构和电学性能等，着重关注Gd/Nd原子配比的影响、晶格中Gd 与Nd原子的位置、氧元素在界面的形态与影响、界面上Si O Gd Nd原子的键接情况、应力应变、晶体缺陷等结构方面以及新晶体的电学性能等方面的基础问题，为该复合晶体作为下一代MOSFET的栅介质打下基础。

随着晶体管的进一步小型化，由于存在漏电流，传统的SiO2已经无法满足下一代金属氧化物半导体场效应管的栅介质要求。为了继续维持摩尔定律预测的发展速度，人们迫切需要找到一种更加合适的高介电材料，以取代SiO2作为晶体管的栅介质。可以说，将来理想的高介电材料的成功研究与应用必将极大地推动半导体技术的快速发展。正因为如此，这些年来有关高介电材料的研究已经成为半导体领域里最关键的热门课题。.本课题基于第一性原理对空间群为Ia-3的方铁锰矿晶体结构M2O3型(M=Gd，Nd)纳米材料的晶体结构、能带、表面原子结构、电学性能等进行了理论模拟，找出了一些有意义的理论依据，随后从实验上探索了在不同基底上M2O3型纳米材料的生长条件、晶体结构与缺陷等。在此基础上，探索和比较了Gd和Nd复合晶体的生长情况、晶体结构和电学性能等，合成了GdxNd1-x)2O3复合晶体。在研究过程中，课题还发展了一种快速准确确定实验室基底斜切角的分析方法，该方法可适用于所有基底的斜切角的大小和方位的准确快速确定。.本课题研究的纳米材料，具有较好的晶体结构特性和性能，复合晶体材料的晶体结构和性能更佳，晶格互补的思路被证明是可行的，复合晶体材料有希望成为下一代High-k栅介质的候选材料。