【摘要】：隨著半導體器件的不斷發(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,產生的漏電流使器件的可靠性嚴重降低。傳統(tǒng)的Si基器件已經無法滿足器件持續(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,可用高介電常數的柵介質材料來替換Si O2,從而降低器件的量子隧穿效應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半導體/高介電常數氧化物異質界面的微結構與物理性質,為Ga As半導體光電子器件的制備和設計提供理論依據。本文主要取得以下研究成果:第一、計算了半導體Ga As和高介電常數氧化物Ce O2、Ba Ti O3和La Al O3體材料的晶格常數、電子態(tài)密度、電荷分布和能帶結構。第二、研究了二元氧化物Ce O2與半導體Ga As形成異質結的原子結構和電子特性。分析了電荷轉移和電子態(tài)密度,As/Ce界面和As/O界面導帶帶偏和和價帶帶偏均大于1 e V,因此Ga As/Ce O2異質結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和較低的介電損耗使它成為良好的柵極氧化層材料。計算分析了電荷轉移和電子態(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計。第四、La Al O3原子層呈正負相間排布,為了解這種極化結構是否會存在新的物理現(xiàn)象,我們計算了Ga As/La Al O3異質結界面結構和電子性質,分析了它們的電荷轉移和電子態(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 晶體能帶結構圖Figure 2-1 The energy band structure of GaAs crystal2-1 所示，沿布里淵區(qū)高對稱點計算得到 GaAs 晶體能帶結構，，箭頭處紅點分別表示 GaAs 的價帶頂和導帶底。從圖中可以帶頂值為-0.21 eV 且位于布里淵區(qū) G 點處，導帶底也處于 G 點以說 GaAs 晶體的帶隙為直接帶隙，Eg大小為 1 eV，接近實驗值價帶頂 G 點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。結果顯示 As 原子在結構優(yōu)化前的電子數是 5 e，優(yōu)s 原子獲得了 0.57 e 的電子。同理，Ga 原子在優(yōu)化前的電子數子數為 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)，它所形成處有較強的局域態(tài)。第二部分為-7.58 eV~0 eV 范圍內的上價帶， 態(tài)和 As 4s4p 態(tài)構成。在費米能級處，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 軌道電子貢獻鈦酸鋇(BTO)體材料的電子性質(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和較低的介電損耗以及在鐵電、壓電和絕緣
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

【參考文獻】

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2 詹望成;郭耘;龔學慶;郭楊龍;王艷芹;盧冠忠;;二氧化鈰表面氧的活化及對氧化反應的催化作用[J];中國科學:化學;2012年04期

3 陳啟q

本文編號：2626118