高K栅介质HfOxNy薄膜的制备及其在顶栅结构石墨烯场效应晶体管中的应用研究

硅基场效应晶体管随着其特征尺寸的不断缩小已接近其物理极限。石墨烯场效应晶体管作为最有可能取代硅基场效应晶体管的新一代电子器件目前已成为国际研究热点。然而在石墨烯场效应晶体管的制作中，由于栅介质的引入而导致的石墨烯电子迁移率的退化严重损害了器件的工作频率和速度等方面的性能，进而阻碍了石墨烯场效应晶体管的发展。在本项目中，我们提出以 N 掺杂的HfO2 薄膜作为栅介质来构筑石墨烯场效应晶体管，利用具有高介电常数的HfO2 对电离杂质散射的屏蔽作用和N 掺杂对表面声子散射的抑制作用来消除引起石墨烯电子迁移率退化的两大基本因素，从而从根本上解决由栅介质的引入而导致的石墨烯电子迁移率退化这一关键问题。该问题的解决将为石墨烯场效应晶体管在取代传统硅基场效应晶体管的道路上扫除障碍，进而将石墨烯场效应晶体管的发展推向一个崭新的层面。

采用射频反应磁控溅射的方法制备了N掺杂和N、Ti 共掺杂的HfO2 栅介质薄膜，通过调节气体流量比率和溅射气压，实现了N 掺杂量的可控。系统研究了高温退火以及不同掺N量对HfOxNy和HfOTi薄膜界面特性、热稳定性以及电子结构的影响。研究结果表明： N 掺杂能够减少薄膜内的缺陷，增加薄膜的热稳定性。这对器件漏电流的减少以及器件性能稳定性的提高起到了关键性的作用。利用椭圆偏振仪分析了N 掺杂对薄膜光学带隙的影响，并结合XPS价带谱分析了N掺杂对薄膜在衬底上能级偏移的影响，发现掺N后HfO2超薄膜的带隙及价带偏移减小，而导带偏移变化不大。高温退火后，薄膜中N 含量降低，薄膜的带隙及价带偏移增大。这为N 掺杂的HfO2超薄膜作为栅介质材料的应用提供了重要参数。