应用于硅基MOSFET高k介质种子层和沟道隔离层双重角色的氟化石墨烯探索研究

Interface and mid-gap trapping states of high-k dielectrics play a crucial role in high-performance MOSFETs. In this proposal, by combining with theoretical study and DFT simulation, we will experimentally explore the feasibility of fluorinated graphene as ALD seed-layer on Si substrate for high-k dielectric growth. Fluorinated graphene provides an atomically smooth and sharp interface for high-k/Si substrates, which can induce lower interface defect density, thinner interfacial transition layer, and better surface passivation for high-k dielectrics. The advantages and limitations of fluorinated graphene as the ALD seed-layer will also be discussed. Our systematic work might promote the high performance and reliability of Si-MOSFETs with thinner high-k EOTs.

本项目针对目前制约硅基MOS器件发展的难点之一- - -高k介质层的界面改良问题进行研究，提出采用新型二维绝缘材料氟化石墨烯，作为ALD 高k 介质生长种子层和沟道隔离层双重角色，探索其在硅基MOS器件中的应用前景。氟化石墨烯因其六圆环状致密结构、高韧性共价键绝缘态、无悬挂键原子层平整界面等特性，能有效阻挡介质与硅界面间原子相互扩散，阻止界面硅化物和过渡硅酸盐层副产物的生成，有助于形成高质量的介质/硅沟道界面。在ALD生长和后续退火过程中，氟化石墨烯因层间作用主要为范德华力，能有效释放界面间的失配应力和减少陷阱界面态生成，为获得低声子散射、薄过渡层的高k介质/硅沟道高质量界面提供了新的途径。本项目将结合量子输运与DFT数值模拟，系统性实验研究氟化石墨烯有效隔离高k介质/硅沟道界面的物理机制与隔离效果，分析引入氟化石墨烯应用于硅基MOS器件的优缺点，为其未来应用探索提供理论预测和关键技术指导。

将石墨烯众多优异的特性融入金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)对发展新一代硅基信息器件有重要的意义，因此，本项目研究了改性功能化的石墨烯衍生物 - 氟化石墨烯用于设计制备高性能的硅基光电探测器。通过精确控制实验变量，探索氟化功率、时间以及气体流量对氟化效果的影响，借助X射线光电子能谱(XPS)与拉曼光谱(Raman)表征石墨烯被氟化的程度与质量，测出碳原子与氟原子的比例以定量氟化的程度。利用实验中探索得到的最佳氟化参数，制备基于氟化石墨烯/石墨烯异质结的光电探测器，实现了从紫外到中红外的宽光谱的高速光电探测，为下一代硅基石墨烯信息器件的发展提供了理论支持和技术指导。..（1）使用电感耦合等离子体(ICP)设备对单晶石墨烯进行氟化，工艺气体为六氟化硫( SF6)。ICP的优势是能够精确控制工艺过程中的功率、时间、气体种类和流量等条件，便于做控制实验。多层石墨烯中的上层石墨烯会首先接触工艺气体而被氟化，并且会阻止气体进入到下层石墨烯中，从而保护下面的石墨烯不被氟化，基于这种原理，可以制备原子级干净界面的氟化石墨烯/石墨烯异质结。..（2）石墨烯本身拥有平面内的C-C键，另有垂直于平面的π和π*轨道，氟化之后，氟原子可以与碳原子成键，形成sp3杂化的C-Fx键。因此氟化石墨烯/石墨烯异质结中存在sp2和sp3的混合键，由sp2形成的π和π*为光生载流子跃迁提供了相应的能量态，而sp3形成的局域态存在于的π和π*之内，同样为光生载流子提供跃迁的状态。制备的氟化石墨烯/石墨烯MSM和光电导器件展示了较好的性能，10 ns的响应时间，200 – 4290 nm的宽谱响应。