高迁移率III-V MOS器件复合栅介质界面调控机理的研究

高迁移率III-V族化合物半导体MOS器件在高速、低功耗、超高频"后摩尔时代"集成电路和太赫兹技术领域具有极其广阔的应用前景，然而长期以来III-V族化合物半导体表面一直难以形成高质量、热稳定的MOS界面，研究表明，这一难题有望通过新型复合栅介质Ⅲ-ⅤMOS器件结构进行界面调控获得解决。.本项目拟选用氮化铝/镧铝氧复合栅介质结构，通过在III-V化合物表面悬挂键修饰、界面自清洗、介质生长动力学等方面开展研究工作，对III-V MOS器件的界面进行调控和优化，并结合复合界面散射、能带结构、极化效应、界面热扩散、固定电荷等影响因素，深入研究复合栅介质Ⅲ-ⅤMOS器件界面调控机理，为III-V族化合物半导体MOS器件所遇到的费米能级钉扎、缺乏热稳定栅介质、界面态密度过大、理论支撑不足等关键科学问题提供技术和理论解决方案。

长期以来，缺乏高质量的MOS界面一直阻碍着高迁移率III-V族化合物半导体沟道CMOS集成技术的发展，本项目采用复合栅介质结构并对Ⅲ-ⅤMOS界面进行调控，在界面控制层设计、III-V化合物表面悬挂键修饰、介质生长动力学等方面开展了研究工作。在界面控制层设计方面，As基III-V族化合物半导体沟道nMOSFET采用InP或InGaP作为界面控制层，Sb基III-V族化合物半导体沟道pMOSFET采用InAlSb作为界面控制层，将III-V族化合物半导体沟道与高k栅介质材料有效隔离，在沟道表面形成二维电子/空穴气，与表面沟道III-V MOSFET器件相比，具有迁移率高、界面态密度小等优势；在III-V化合物表面悬挂键修饰方面，针对III-V化合物半导体材料的表面性质，将化学清洗、S钝化、原子层沉积自清洗、ALD介质沉积相结合，在高迁移率InGaAs沟道上实现了新型高k栅介质材料与无费米能级钉扎的MOS界面控制，最小界面态密度小于5×1011 cm-2·eV-1；在介质生长动力学方面，开发和优化了Al2O3、La2O3、AlN、Y2O3、HfO2、TiO2、ZnO、TiN等及其组合材料的原子层沉积工艺，同时采用O3原位处理的新型原子层沉积模式，以H2O和O3先后作为氧化前驱体源，与H2O作为前驱体源相比，降低了高k栅介质的漏电流和介质缺陷态密度，同时提高了高k栅介质的击穿特性。综上所述，本项目为III-V 族化合物半导体MOS 器件所遇到的费米能级钉扎、缺乏热稳定栅介质、界面态密度过大、理论支撑不足等关键科学问题提供了技术和理论解决方案。