高k栅GaAs和InAlAs MOS电容栅漏电流特性研究

摘要

随着半导体技术的不断发展，行业对器件的工作速率和可靠性等性能提出越来越高的要求，GaAs和InAlAs等在内的高载流子迁移率III-V族化合物半导体被提出用来替代Si作为晶体管的衬底材料。对于GaAs和InAlAs基MOS器件，传统的SiO2栅介质材料由于与其衬底的晶格失配等原因导致了差界面质量问题，同时其介电常数低，这严重影响了器件性能和可靠性。而 Al2O3和HfO2等高k材料具有较大的介电常数，在相同EOT的情况下具有更大的物理厚度，这可以明显地减小栅漏电流，因此其可作为GaAs和InAlAs MOS器件栅介质材料的重要选择之一。对于MOS器件，静态功耗是影响其可靠性的关键因素，随着电路的集成度越来越高，此问题越来越突出，而MOS电容的栅漏电流是导致静态功耗的主要原因。因此对相应MOS器件的电容的栅漏电流进行研究十分重要。本文对几种高k栅GaAs和InAlAs MOS电容的栅漏电流进行了分析。
　　首先，本文对基于 HfO2、HfO2/Al2O3和 HfAlOx栅介质材料的三种 GaAs MOS电容进行了变温测试实验。实验结果分析表明，随着温度的升高MO S电容的栅漏电流会增加，而栅漏电机制没有发生变化。通过对各种实验样品的漏电机制的分析表明，在栅压较小时，介质层陷阱辅助下的空间电荷限制是引起 GaAs MOS栅漏电流的主要原因，随着栅压的提高，肖特基发射和FP热电子注入引起的漏电成为栅漏电流的主要成分，除此之外在大场强下势垒发生形变，部分势垒厚度减小，导致FN隧穿发生。三个样品的对比可知 HfO2的介电常数最小、栅漏电流最大，HfO2/Al2O3的介电常数其次、栅漏电流居中，而HfAlOx的相对介电常数最高、栅漏电流最小。同时，势垒高度对栅漏电流也有较大的影响，Al2O3与GaAs的势垒高度大于HfO2，HfAlOx介于两者之间。因此，HfAlOx是三个样品中最适合做GaAs MOS电容的介质材料。
　　另外，本文还对不同温度下的HfO2及Al2O3栅介质材料InAlAs MOS电容栅漏电流进行了变温测试及分析。温度会使栅漏电流密度增大，但并没有改变漏电机制。较小栅压下，其主要的漏电机制是肖特基热电子注入；较大栅压下，其主要的漏电机制是FN隧穿。由于介质层中的陷阱能级深度高于势垒高度，因此FP电子注入不是InAlAs MOS栅漏电流的主要成分。根据对不同介质层厚度HfO2栅GaAs MOS栅漏电流分析表明，适当增加氧化层厚度可以减小栅漏电流。HfO2栅GaAs和InAlAs栅漏电流的分析表明，GaAs衬底上的HfO2的介电常数比InAlAs上低，根据XPS得到的界面层成分可知，氧化层中的 Ga元素是引起的介电常数减小的原因之一。因此，在HfO2中掺入适量的Al元素并且适当提高介质层厚度，减少介质层Ga元素是减小MO S栅漏电流、提高MO S电容电学特性的方法。

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第一章 绪论

1.1 GaAs与InAlAs衬底材料MOS器件

1.2 MOS器件的漏电流

1.3 MOS电容的电学特性对器件的影响

1.4论文的主要工作和结构

第二章 MOS电容的漏电机理与表征方法

2.1 MOS电容的漏电机理

2.2 MOS电容的I-V特性分析

2.3 MOS电容的栅漏电流的辅助分析

2.4 温度对MOS栅漏电流的影响

2.5改善MOS电容结构漏电流的方法

2.6 本章总结

第三章 高k栅GaAs MOS电容栅漏电流的分析

3.1 高k栅GaAs MOS电容结构的变温实验

3.2 三种Hf基栅GaAs MOS 栅漏电流分析

3.3等温下不同Hf基栅 GaAs MOS 电容的栅漏电流分析

3.4小结

第四章 高k栅InAlAs MOS电容栅漏电流分析

4.1 高k栅InAlAs MOS电容的变温实验

4.2高k栅InAlAs MOS电容的栅漏电流分析

4.3 同一温度下不同氧化层材料InAlAs MOS电容的栅漏电流分析

4.4 HfO2 GaAs MOS电容与InAlAs MOS电容的漏电流对比

4.5 小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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