【摘要】：隨著半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展,器件尺寸等比例縮小使金屬氧化物場效管的柵極氧化層越來越薄,產(chǎn)生的漏電流使器件的可靠性嚴(yán)重降低。傳統(tǒng)的Si基器件已經(jīng)無法滿足器件持續(xù)發(fā)展的需求,Ga As由于良好的電子特性是替換半導(dǎo)體Si的潛在候選材料。同時,為了提高柵極氧化層的等效厚度,可用高介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料來替換Si O2,從而降低器件的量子隧穿效應(yīng)來滿足微小型化的需求。本文主要利用密度泛函理論探索Ga As半導(dǎo)體/高介電常數(shù)氧化物異質(zhì)界面的微結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì),為Ga As半導(dǎo)體光電子器件的制備和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文主要取得以下研究成果:第一、計(jì)算了半導(dǎo)體Ga As和高介電常數(shù)氧化物Ce O2、Ba Ti O3和La Al O3體材料的晶格常數(shù)、電子態(tài)密度、電荷分布和能帶結(jié)構(gòu)。第二、研究了二元氧化物Ce O2與半導(dǎo)體Ga As形成異質(zhì)結(jié)的原子結(jié)構(gòu)和電子特性。分析了電荷轉(zhuǎn)移和電子態(tài)密度,As/Ce界面和As/O界面導(dǎo)帶帶偏和和價帶帶偏均大于1 e V,因此Ga As/Ce O2異質(zhì)結(jié)界面也可作為晶體管的潛在候選。第三、Ba Ti O3作為研究最多的ABO3型鈣鈦礦氧化物鐵電材料之一,由于其有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗使它成為良好的柵極氧化層材料。計(jì)算分析了電荷轉(zhuǎn)移和電子態(tài)密度,我們發(fā)現(xiàn)在Ga As/Ba Ti O3界面存在金屬性,As/Ba O界面和As/Ti O2界面導(dǎo)帶帶偏和價帶帶偏并不全大于1 e V,所以此界面不適合高電子遷移率晶體管設(shè)計(jì)。第四、La Al O3原子層呈正負(fù)相間排布,為了解這種極化結(jié)構(gòu)是否會存在新的物理現(xiàn)象,我們計(jì)算了Ga As/La Al O3異質(zhì)結(jié)界面結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì),分析了它們的電荷轉(zhuǎn)移和電子態(tài)密度,發(fā)現(xiàn)在界面呈現(xiàn)金屬性,且As/La O界面和As/Al O2界面帶階都大于1 e V,該界面亦可作為高電子遷移率晶體管柵極氧化層的候選。
【圖文】：

圖 2-1 GaAs 晶體能帶結(jié)構(gòu)圖Figure 2-1 The energy band structure of GaAs crystal2-1 所示，沿布里淵區(qū)高對稱點(diǎn)計(jì)算得到 GaAs 晶體能帶結(jié)構(gòu)，，箭頭處紅點(diǎn)分別表示 GaAs 的價帶頂和導(dǎo)帶底。從圖中可以帶頂值為-0.21 eV 且位于布里淵區(qū) G 點(diǎn)處，導(dǎo)帶底也處于 G 點(diǎn)以說 GaAs 晶體的帶隙為直接帶隙，Eg大小為 1 eV，接近實(shí)驗(yàn)值價帶頂 G 點(diǎn)處晶體能級劈裂造成雙重簡并，與第三能級之間能為了更直觀的描述 GaAs 晶體的電荷分布，我們用 Bader 電荷子分布。結(jié)果顯示 As 原子在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的電子數(shù)是 5 e，優(yōu)s 原子獲得了 0.57 e 的電子。同理，Ga 原子在優(yōu)化前的電子數(shù)子數(shù)為 12.43 e，作為電子施主一方存在。

圖 2-2 GaAs 晶體的總態(tài)密度圖和各個原子的分波密度圖Figure 2-2 The total DOS and partial DOS of GaAs Crystal 2-2 顯示的是 GaAs 晶體的總態(tài)密度圖和 As、Ga 原子的分波態(tài)密中可以看出，，GaAs 在價帶區(qū)域可以分成兩個部分，第一部分是1 eV 范圍內(nèi)的下價帶，主要來源的是 Ga 4s 和 As 4s 態(tài)，它所形成處有較強(qiáng)的局域態(tài)。第二部分為-7.58 eV~0 eV 范圍內(nèi)的上價帶， 態(tài)和 As 4s4p 態(tài)構(gòu)成。在費(fèi)米能級處，我們能明顯的看出 GaAs 半較低，形成的帶隙較小。對于這部分，主要由 Ga 4s4p 態(tài)和 As 4s4于導(dǎo)帶，從分波態(tài)密度圖中看出主要由 Ga 和 As 的 p 軌道電子貢獻(xiàn)鈦酸鋇(BTO)體材料的電子性質(zhì)(The electronic proper bulk material)酸鋇(BTO)作為最早被發(fā)現(xiàn)和研究最多的 ABO3型鈣鈦礦氧化物于其有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗以及在鐵電、壓電和絕緣
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

【參考文獻(xiàn)】

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3 陳啟q

本文編號：2626118