理论研究Ge-栅介质界面的结构、性质和反应

The morphology of the interface between the substrate （Ge, Si） and the gate oxide (GeO2,SiO2) is one of the most important characteristics of microelectronic devices. As one of the most promising materials for future microelectronic devices, Ge materials suffer very complicated interfacial problems, which become the major barrier and the key topic in this field. Using density functional theory methods, we propose to study various Ge-GeO2 interfaces based on GeO2 crystal phase and bonding model at the interface. Through the investigation of Ge-GeO2 interfacial morphology, particular the interfacial defects levels and charge carrier traps, as well as the gate leakage current, the limitation of interfacial morphology on the performance of Ge microelectronic devices will be elucidated. On this basis, the passivation of interfacial suboxide Ge atoms will be examined. Additional, we are going to investigate the reactions occurring between interfacial layers, including oxidations of the substrate, diffusions, migrations, and reorganizations of defecs. As such, the key processes and configurations controlling the interfacial morphology can be identified. Moreover, due to unique features (use of high-K material allows increased gate capacitance without the associated leakage effects) of the high K material in microelectronic devices, we will extend the foregoing Ge-GeO2 study to characterize the geometric and electronic properties of Ge-high K gate oxide. This project will provide profound understandings on the mechanism of the performance of Ge microelectronic systems at atomic scale, and shed light on the designing of the Ge microelectronic devices.

衬底(Ge,Si)和栅介质(GeO2,SiO2)之间的界面形态是相关电子器件最重要的特性之一。由于Ge在未来电子器件中有着不可替代的地位，Ge基电子体系的界面问题成为当前该领域研究的热点和难点。本项目以密度泛函方法为主,系统研究由不同GeO2晶相和界面成键方式形成的系列Ge-GeO2界面，通过详细考察界面形态，尤其是界面缺陷引入的能级和载流子陷阱以及栅漏电流，讨论界面结构如何影响Ge基电子体系性质，并在此基础上研究界面的钝化机理；同时研究发生在近界面层的氧化、迁移、扩散和结构重组等反应过程，确定影响界面形态的关键反应和结构。基于高介电常数(K)材料在电子器件中的特殊作用，本项目将把对Ge-GeO2体系的研究扩展到Ge-高K介质体系。以上研究工作的开展对于从原子层次上把握影响Ge基电子器件性能的微观机理具有重要的科学意义，同时为Ge基电子器件的研制和开发提供可靠的理论依据和设计思路。

衬底(Ge, Si)和栅介质(GeO2, SiO2)之间的界面形态是相关电子器件最重要的特性之一，而界面特性中的缺陷则是决定器件性能的关键因素。本项目以密度泛函理论为主，从研究Si/SiO2界面结构和性质出发，系统研究了半导体Ge和不同栅介质氧化物构成的界面的结构和电子性质，通过详细考察界面形态，分析界面态密度在Ge衬底能隙附近的分布，判断界面结构的稳定性及电学性能，并确定最适合做MOS电子器件中半导体-氧化物界面的结构。基于半导体材料在电子器件中发挥的重要作用，本项目将把对Ge-栅介质体系的研究扩展到半导体-高K栅介质体系，并选用单层过渡硫属化物MX2为研究对象，研究了MX2/Al2O3(HfO2)界面模型的相关性质，特别研究了界面缺陷对结构稳定性和电学性质的影响，以及H钝化的高K氧化物介质层对界面性质的影响。结果表明，Al2O3、La2O3和ZrO2等氧化物都可以作为栅介质并应用于场效应晶体管中，其中cGe/La2O3界面、Ge和c-ZrO2构建的bGe/O3和Ge/O3t模型以及WS2/α-Al2O3(0001)Al等不仅结构上是稳定的，而且也显示较好的电子性质，是作为MOS电子器件中半导体-氧化物界面的理想结构；界面处空位缺陷的出现将引起界面态，从而破坏体系的电学性质。以上研究工作的开展对于发展性能良好的MOS场效应管具有重要的科学意义，同时为Ge基甚至新一代电子器件的研制和开发提供可靠的理论依据和设计思路。