高K氧化物绝缘栅GaAs半导体MOS-HEMT器件的数值模拟研究

发布时间：2020-04-13 14:58

【摘要】：随着半导体器件的不断发展,器件尺寸等比例缩小使金属氧化物场效管的栅极氧化层越来越薄,产生的漏电流使器件的可靠性严重降低。传统的Si基器件已经无法满足器件持续发展的需求,Ga As由于良好的电子特性是替换半导体Si的潜在候选材料。同时,为了提高栅极氧化层的等效厚度,可用高介电常数的栅介质材料来替换Si O2,从而降低器件的量子隧穿效应来满足微小型化的需求。本文主要利用密度泛函理论探索Ga As半导体/高介电常数氧化物异质界面的微结构与物理性质,为Ga As半导体光电子器件的制备和设计提供理论依据。本文主要取得以下研究成果:第一、计算了半导体Ga As和高介电常数氧化物Ce O2、Ba Ti O3和La Al O3体材料的晶格常数、电子态密度、电荷分布和能带结构。第二、研究了二元氧化物Ce O2与半导体Ga As形成异质结的原子结构和电子特性。分析了电荷转移和电子态密度,As/Ce界面和As/O界面导带带偏和和价带带偏均大于1 e V,因此Ga As/Ce O2异质结界面也可作为晶体管的潜在候选。第三、Ba Ti O3作为研究最多的ABO3型钙钛矿氧化物铁电材料之一,由于其有较高的介电常数和较低的介电损耗使它成为良好的栅极氧化层材料。计算分析了电荷转移和电子态密度,我们发现在Ga As/Ba Ti O3界面存在金属性,As/Ba O界面和As/Ti O2界面导带带偏和价带带偏并不全大于1 e V,所以此界面不适合高电子迁移率晶体管设计。第四、La Al O3原子层呈正负相间排布,为了解这种极化结构是否会存在新的物理现象,我们计算了Ga As/La Al O3异质结界面结构和电子性质,分析了它们的电荷转移和电子态密度,发现在界面呈现金属性,且As/La O界面和As/Al O2界面带阶都大于1 e V,该界面亦可作为高电子迁移率晶体管栅极氧化层的候选。
【图文】：

电荷分布,布里渊区,电子数,原子

图 2-1 GaAs 晶体能带结构图Figure 2-1 The energy band structure of GaAs crystal2-1 所示，沿布里渊区高对称点计算得到 GaAs 晶体能带结构，，箭头处红点分别表示 GaAs 的价带顶和导带底。从图中可以带顶值为-0.21 eV 且位于布里渊区 G 点处，导带底也处于 G 点以说 GaAs 晶体的带隙为直接带隙，Eg大小为 1 eV，接近实验值价带顶 G 点处晶体能级劈裂造成双重简并，与第三能级之间能为了更直观的描述 GaAs 晶体的电荷分布，我们用 Bader 电荷子分布。结果显示 As 原子在结构优化前的电子数是 5 e，优s 原子获得了 0.57 e 的电子。同理，Ga 原子在优化前的电子数子数为 12.43 e，作为电子施主一方存在。

密度图,分波,总态密度,密度图

图 2-2 GaAs 晶体的总态密度图和各个原子的分波密度图Figure 2-2 The total DOS and partial DOS of GaAs Crystal 2-2 显示的是 GaAs 晶体的总态密度图和 As、Ga 原子的分波态密中可以看出，，GaAs 在价带区域可以分成两个部分，第一部分是1 eV 范围内的下价带，主要来源的是 Ga 4s 和 As 4s 态，它所形成处有较强的局域态。第二部分为-7.58 eV~0 eV 范围内的上价带，态和 As 4s4p 态构成。在费米能级处，我们能明显的看出 GaAs 半较低，形成的带隙较小。对于这部分，主要由 Ga 4s4p 态和 As 4s4于导带，从分波态密度图中看出主要由 Ga 和 As 的 p 轨道电子贡献钛酸钡(BTO)体材料的电子性质(The electronic proper bulk material)酸钡(BTO)作为最早被发现和研究最多的 ABO3型钙钛矿氧化物于其有较高的介电常数和较低的介电损耗以及在铁电、压电和绝缘
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【参考文献】